pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

Transkript

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
Fakulta strojního inženýrství
Energetický ústav – Odbor energetického inženýrství
ENERGIE Z BIOMASY V
Sborník příspěvků ze semináře
BRNO 2006
editoři
Ing. Martin Lisý
Ing. Marek Baláš
ENERGIE Z BIOMASY V
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FSI – EÚ – OEI
2006
Publikace je sborníkem příspěvků ze semináře Energie z biomasy, který se konal v rámci
stejnojmenného projektu GAČR 101/03/H064 23. a 24. listopadu 2006 v Brně. Články pocházejí z pera
autorů, kteří působí na výzkumných a akademických pracovištích v Česku a na Slovensku. Zabývají se
tematikou biomasy jako obnovitelného zdroje energie – především ale technickou a ekologickou
stránkou jejího využití.
Příspěvky jsou zaměřeny na produkci a využití alternativních paliv na bázi biomasy, jejich chování
a emise při spalování, dále na experimenty v oblasti spalování, zplyňování a pyrolýzy, vedení procesu
pyrolýzy a zplyňování, úpravu plynu ze zplyňování biomasy a analytické metody používané v dané
oblasti.
Titulní strana: ilustrační foto
Editoři: Ing. Martin Lisý, Ing. Marek Baláš
Vysoké učení technické v Brně, 2006
ISBN 80-214-3310-8
PŘEDMLUVA
Také letošní setkání doktorandů se zabývalo aktuální problematikou energetického využívání biomasy.
Jako vždy se konalo na konci roku a bylo v pořadí páté. Semináře se ve dnech 23. a 24. 11. 2006 zúčastnilo
okolo 30 zájemců a bylo předneseno 20 referátů. Vedle členů řešitelského kolektivu doktorského projektu
č.101/03/H064 „Energie z biomasy“ z pořádajícího VUT v Brně a VŠB Ostrava se ho zúčastnili též pracovníci
VŠCHT Praha, Výzkumného ústavu hnědého uhlí Most, AV ČR Praha, TU Košice, STU Bratislava. Pozitivem je,
že se semináře vedle doktorandů zúčastnili též odborníci z praxe a z naší fakulty.
Referáty, uveřejněné v tomto sborníku, se zabývají širokým okruhem problémů, zejména výzkumem
termofyzikálních vlastností uměle pěstovaných nových druhů biomasy, úpravou biomasy, efektivním spalováním,
zplyňováním a pyrolýzou biomasy a čištěním plynů, vzniklých ze zplyňování. Další příspěvky jsou věnovány
novým měřicím metodám, transferu těžkých kovů a dalším aplikacím energetického využívání různých forem
biomasy a čistírenských kalů.
Obsahy všech příspěvků, které jsou současně i tématy budoucích doktorských disertačních prací autorů,
řeší aktuální problémy vycházející z potřeb průmyslové praxe. Její vztah k biomase, jakožto vhodného
doplňkového zdroje užitné energie, se změnil po našem vstupu do EU, kdy byly již použity a budou
i nadále legislativně zaváděny ekonomické stimuly vedoucí k většímu využívání biomasy zejména při
kombinované výrobě elektrické energie a tepla.
Vedle nových poznatků, které autoři veřejně prezentují, umožňují tyto semináře získání širší
metodologické orientace, zkvalitnění vlastních znalostí, umožňují spolupráci a dialog mezi účastníky semináře a
vedou k větší propojenosti jednotlivých školicích pracovišť. V neposlední řadě umožňují neformální setkání a
navázání osobních kontaktů.
Domnívám se, že z uvedených pohledů splnil také letošní seminář svůj cíl.
Doc.Ing. Ladislav Ochrana, CSc.
odborný garant semináře
9.12.2006
/3/
/4/
OBSAH
ABRLA P.
Problematika přesnosti stanovení emisí z malých spalovacích zařízení. ....................................................9
Problematika přesnosti stanovení emisí z malých spalovacích zařízení se převážně týká problémů spojených s měřením
emisí vázaných na tuhé látky a to především přiblížení se odběru vzorku k izokinetickým podmínkám. S ohledem na nízké
rychlosti spalin a také skutečnost, že celý proces je nestabilní a dynamicky se měnící, je možnost izokinetického odběru
značně omezena. Vhodným způsobem řešení těchto problémů je použití tzv. ředícího tunelu.
BALÁŠ M., LISÝ M., KOHOUT P., ŠEN H., OCHRANA L.
Deaktivace kovových katalyzátorů. ..........................................................................................................13
Tento článek se věnuje problematice použití niklových katalyzátorů jako jedné z možností čistění plynu vznikajícího
zplyňováním biomasy a to hlavně k redukci dehtu obsaženého v plynu. Článek se zabývá především deaktivací katalyzátorů
vlivem zauhlíkování, slinováním a otravou sloučeninami síry. Dále pak rozborem metod zabraňujících deaktivaci nebo
alespoň snižující její rychlost. Na konci článku je nastíněn současný stav výzkumu použití niklových katalyzátorů pro čištění
energoplynu generovaném na stendu Biofluid 100.
BALÁŠ M., ŠEN H.
Negativní vlivy energetického využití biomasy – emise............................................................................21
Problematika energetického využití biomasy je dnes velice aktuální. Článek se snaží nezaujatým způsobem pojednat o
emisích vznikajících při spalování biomasy. Zabývá se především jejich vznikem při termických procesech, dopadem na
životní prostředí a možnostech jejich eliminace.
BENIAK J.
Optimalizácia energetických nárokov drviacich zariadení. .......................................................................27
Biomasa sa vyskytuje vždy v rozdielnej forme a takisto sú rozdielne požiadavky na jej charakter pred spracovaním do
konečnej podoby (pelety, brikety...). Nikdy sa však nepoužíva v pôvodnej forme, tak ako ju získame. Vždy je potrebné
upravovať túto surovinu na základe konkrétnych požiadaviek. V prvom stupni úpravy týchto surovín sa takmer vždy používa
niektorý zo spôsobov dezintegrácie materiálov, čiže zmenšenie frakcie a dosiahnutie homogénnejšej štruktúry.
BRANC M.
Potenciál biomasy v Moravskoslezském regionu - část projektu řešeného v rámci programu
INTERREG IIIA. ........................................................................................................................................31
Cílem příspěvku je seznámit účastníky semináře o projektu „MOŽNOSTI LOKÁLNÍHO VYTÁPĚNÍ
A VÝROBY ELEKTŘINY Z BIOMASY“, který v současnosti probíhá na Výzkumném energetickém centru VŠB-TU Ostrava.
Příspěvek se zmiňuje o programu INTERREG IIIA a podrobněji se věnuje části studie věnované potenciálu biomasy
v Moravskoslezském kraji.
BRANDEJSKÁ E., PROKEŠ O., TENKRÁT D.
Získávání vodíku z obnovitelných zdrojů .................................................................................................37
Příspěvek je věnován výrobě vodíku s důrazem na obnovitelné zdroje. Fosilní zdroje energie sice poskytují dostatečné
množství vodíku, ale cílem je právě v budoucnu eliminovat závislost lidstva na fosilních energetických zdrojích (uhlí, ropa,
zemní plyn). Z tohoto důvodu se obracíme právě na obnovitelné zdroje surovin, které poskytují dostatečně velkou základnu
pro získání vodíku. Většina uvedených metod v příspěvku je stále ve fázi vývoje a výzkumu. Proto cena takto vyrobeného
vodíku je stále vysoká a několikanásobně převyšuje cenu ostatních nosičů energie.
ČERMÁKOVÁ J., VOSECKÝ M., MALECHA J., KOUTSKÝ B.
Vliv topného režimu na emise krbových kamen spalujících dřevo ...........................................................43
V této práci byl sledován vliv topného režimu na emise krbových kamen spalujících březové nebo borové dřevo a dřevěné
brikety. Emise vybraných znečišťujících látek byly sledovány v závislosti na druhu paliva a velikosti přílože. V provedených
experimentech nebyl prokázán významný vliv sledovaných parametrů na emise znečišťujících látek, rozhodujícím činitelem
byla pravidelnost přikládání paliva do kamen.
/5/
KARÁSEK R.
Transfer těžkých kovů při spalování odpadů. .......................................................................................... 49
Příspěvek se zabývá redistribucí těžkých kovů při spalování odpadů. Jedná se výhradně o problematiku spalování
směsného komunálního odpadu, který se spaluje ve spalovnách SKO.
KRIŽAN P.
Lisovacia teplota, lisovací tlak, vlhkosť materiálu a ich vzájomné vzťahy. .............................................. 53
Pri výrobe moderných energonosičov je veľmi dôležité poznať vplyv jednotlivých faktorov, ktoré vplývajú na výslednú kvalitu
výliskov. V tomto príspevku som sa rozhodol popísať tri z týchto faktorov: lisovaciu teplotu, lisovací tlak a vlhkosť vstupného
materiálu. Budem sa snažiť popísať aj vzťahy medzi nimi.
LANDSMANN M.
Liquid fuel atomization and PIV-PLIF system. ......................................................................................... 59
The article deals with using combined PIV-PLIF system (Particle Image Velocimetry - Planar Laser Induced Fluorescence)
for research liquid fuel atomization, effervescent atomizer with two-phase flow. The system can measure and evaluate 3D
vectors of veloc
LETKO M.
Dezintegračný ekokomplex na zhodnocovanie biomasy. ........................................................................ 65
Pri zhodnocovaní biomasy ako aj rôznych druhov odpadov je nevyhnutná dezintegrácia, ktorou sa upraví surovina pred
ďalším spracovaním v technologických zariadeniach. Dezintegrácia sa vykonáva na dezintegračných strojoch rôznych
konštrukcií. Cieľom príspevku je predstaviť myšlienku modulovej koncepcie dezintegračného ekokomplexu na
zhodnocovanie biomasy ako aj rôznych druhov odpadov.
LETKO M., KRIŽAN P.
Energetické zhodnocovanie tuhých odpadov – realizované a riešené projekty na Katedre výrobnej
techniky (KVT). ....................................................................................................................................... 69
Autori chceli v tomto článku predstaviť aktivity Katedry výrobnej techniky v oblasti výskumu a riešenia projektov a úloh
z praxe v oblasti energetického zhodnocovania tuhých odpadov. Uvedené sú tu výsledky z výskumu nových druhov
materiálov vhodných na zhutňovanie, popísané sú navrhnuté konštrukcie zhutňovacích strojov a strojov na spracovanie
biomasy, a tiež sú tu popísané realizované a riešené linky na spracovanie tuhých odpadov.
MILČÁK P., KOLAT P., PILAŘ L.
Vliv přídavného spalování čistirénského kalu s černým uhlím na redistribuci těžkých kovů v produktech
spalování. ............................................................................................................................................... 77
Příspěvek se zabývá problematikou přídavného spalování čistírenského kalu společně s černým uhlím na fluidním kotli
s cirkulující fluidní vrstvou. Pozornost je zaměřena zejména na množství těžkých kovů a stopových prvků vstupujících do
spalovacího zařízení a dále také na jejich redistribuci do produktů spalování, v tomto případě do ložového popela, filtrového
popílku a do emisí.
MOSKALÍK J., BORBELY R., BOGDALEK J.
Tepelná bilance vysokoteplotního filtru .................................................................................................. 83
Práce pojednává o fluidním zplyňování biomasy, konkrétně čištěním plynu produkovaného experimentálním zařízením
BIOFLUID. Práce se soustředí především na metodu filtrování plynu přes vysokoteplotní katalytický filtr. Hlavním cílem je
výpočet tepelné bilance a zjištění velikosti tepelných ztrát vysokoteplotního filtru. A na základě toho navrhnout metody a
opatření ke zlepšení funkce filtru. Některé metody, jako je částečné spalování plynu ve vysokoteplotním filtru, jsou zde
prakticky ověřeny experimentem.
PALUSKA R., KYJOVSKÝ M.
Hodnocení rozdílných režimů při procesu spalování ............................................................................... 89
V tomto příspěvku jsou uvedeny poznatky vyplývající ze zkoušek provedených za účelem vyhodnocení rozdílných režimů při
procesu spalování palivového bukového dřeva ve formě polen v experimentálním ohništi o jmenovitém výkonu 8 kW. Bylo
provedeno ověření výkonové křivky krbových kamen a vliv součinitele přebytku spalovacího vzduchu. Při těchto zkouškách
byl zjištěn zajímavý poznatek v oblasti kinetiky hoření, který bude v budoucnu dále zkoumán.
/6/
PAVLŮ J., ŠUMPELA P.
Náklady na energetické zdroje středních výkonů .....................................................................................95
Jedněmi z významných zdrojů tepla v České republice jsou takzvané Střední spalovací zdroje o tepelném výkonu od 200kW
do 5 MW. Úměrně neustále rostoucím cenám paliv rostou i nároky na ekonomiku provozu těchto energetických zdrojů, která
je nejdůležitějším měřítkem kvality zařízení. Při rekonstrukcích a stavbě Středních spalovacích zdrojů je nezanedbatelná i
prvotní investice do vlastního zařízení. Proto je nutné využívat moderních technologií výroby tepla s vysokou účinností a
úměrnými investicemi do zařízení.
PEKÁREK P., MACHAČ P., KOZA V., KREMANOVÁ B., BRADÁČOVÁ K., KUBA J., MONIZ P.D.
Odstraňování kyselých složek z plynů ze zplyňování biomasy.................................................................99
Článek se zabývá čištěním generátorového plynu pro energetické využití ve vysokoteplotních palivových článcích metodou
vysokoteplotní adsorpce. Jsou zde uvedeny metody přípravy celé řady sorbetů, testovací aparatura, použité analytické
metody a přehled dosažených výsledků.
POLÍVKA R., TEKÁČ V., SKÁCEL F., ČÍŽEK Š., ŠEC K.
Emise hlavních znečišťujících látek při spalování tuhých paliv v kotli malého výkonu...........................105
Pro měření emisí vznikajících při spalování tuhých paliv ve spotřebiči malého výkonu bylo navrženo a konstruováno
experimentální zařízení. Použité analyzátory, vzorkovací trasy a počítačové programy umožňují správné stanovení emisí
všech měřených znečišťujících látek.. Měření emisí bylo prováděno při spalování 5 druhů tuhých paliv v kotli o maximálním
výkonu 24 kW. Výsledkem měření bylo získání hodnot hmotnostní koncentrace, hmotnostního toku a měrné výrobní emise
vztažené na prakticky využitelný výkon kotle. Získaná data mohou přispět k zpřesnění emisní bilance České republiky.
PRAVDA L.
Spalování energoplynu na VUT Brno .....................................................................................................109
Článek se zabývá problematikou spalování energoplynu na VUT v Brně, Fakultě Strojního inženýrství, Odboru energetického
inženýrství při Energetickém ústavu. Ve stručnosti popisuje jeho výrobu, charakteristiky a složení. Podrobněji se zabývá
návrhem experimentu pro jeho spalování. K produkci energoplynu na VUT v Brně je využívána experimentální jednotka
atmosférického fluidního zplyňování Biofluid 100, pro jeho spalování spalovací komora navržená a vyrobená v dílnách
Odboru energetického inženýrství.
TENKRÁT D., PROKEŠ O., TEKÁČ V., BOUDA Z., EMMER J.
Spalovací zkoušky vybraných tuhých paliv v kotli VERNER A25............................................................115
Otázka energetického využívání biomasy, přesněji řečeno rychle rostoucích energetických plodin, je v posledních letech
stále populárnější. Výzkum se z větší části zaměřuje na „exotické“ energetické plodiny, u kterých jsou v laboratorních
podmínkách dosahovány dobré výsledky, avšak v praxi vykazují tyto rostliny daleko nižší výnosy a mají větší nároky (škůdci,
hnojení apod.). Otázkou tedy zůstává, zda není vhodné energeticky využívat přebytky plodin, které jsou v našich
podmínkách adaptované, mají vysoké výnosy, zemědělci mají dostatek zkušeností s pěstováním těchto plodin a disponují
vhodnou technikou. Tento příspěvek přináší výsledky a zkušenosti z praktických spalovacích zkoušek vybraných vzorků
zemědělských plodin v kotli VERNER A25.
VOSECKÝ M., POHOŘELÝ M., KAMENÍKOVÁ P., SKOBLJA S., KOUTSKÝ B., PUNČOCHÁŘ M.
Vliv experimentálních podmínek na složení plynu ze Zplyňování biomasy a plastů ve fluidní vrstvě ......123
Zplyňování obnovitelných či alternativních paliv, kterým jsou zde biomasa a odpadní plasty, představuje zajímavou
možnost úspory fosilních paliv a též zhodnocení jinak nevyužitého odpadu. Vhodným zplyňovacím generátorem je pro
taková paliva generátor fluidní. V této práci byl studován vliv primárních metod čištění (teplotních poměrů v reaktoru a
materiálu fluidního lože) na kvalitu generátorového plynu.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------JANÁSEK P.
Vliv energetických paramatrů biomasy při procesu spalování . .............................................................129
Příspěvek je složen z Powerpointových presentací.
/7/
/8/
Energie z biomasy V – odborný seminář
Brno 2006
PROBLEMATIKA PŘESNOSTI STANOVENÍ EMISÍ Z MALÝCH SPALOVACÍCH ZAŘÍZENÍ
Pavel Abrla
Problematika přesnosti stanovení emisí z malých spalovacích zařízení se převážně týká problémů spojených
s měřením emisí vázaných na tuhé látky a to především přiblížení se odběru vzorku k izokinetickým podmínkám.
S ohledem na nízké rychlosti spalin a také skutečnost, že celý proces je nestabilní a dynamicky se měnící, je
možnost izokinetického odběru značně omezena. Vhodným způsobem řešení těchto problémů je použití tzv.
ředícího tunelu.
Klíčová slova: emise, izokinetický odběr, ředící tunel
SPOTŘEBA TUHÝCH PALIV V MALÝCH ZDROJÍCH
Tuhá paliva představují jediný pozoruhodný zdroj energie v ČR s životností zásob na mnoho dalších desetiletí.
Tato skutečnost vede k reálným úvahám o pokračujícím využívání tuhých paliv v ohništích malých výkonů, což
také souvisí s postupující decentralizací v energetice. Je nutné konstatovat, že spalování uhlí je vždy
doprovázeno tvorbou znečišťujících látek. Nejedná se jen o základní znečišťující látky, ale také o látky vysoce
toxické. Jejich množství je přímo úměrné technickým vlastnostem spalovacího zařízení, kvalitě paliva a také
kvalitě obsluhy [1].
Po rozsáhlé plynofikaci v sektoru vytápění domácností nastává druhé období, kdy se lidé pro uspokojení jejich
tepelných potřeb vracejí k používání tuhých paliv nebo minimálně ke kombinaci obou zdrojů tepla. Z velké části
se jedná o spalování dřeva.
BILANCE EMISÍ A EMISNÍ FAKTORY
Základní výpočty emisí pro malé zdroje používají emisní faktory. Emisní faktor vyjadřuje množství emise určité
látky většinou vztažené na množství spotřebovaného paliva (tuny), nebo na množství energie obsažené v palivu
(GJ).
Bilance emisí z malých zdrojů je zatížena značnou nejistotou, protože podstata stanovení bilancí pro malé zdroje
vychází z používání emisních faktorů. Metodika stanovení emisních faktorů u malých zdrojů pro spalování tuhých
paliv je specifický problém a potýká se s těmito základními komplikacemi:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
různorodost typů spalovacích zařízení
různorodost druhů paliva
většinou je používána periodická (přerušovaná) doprava paliva a pak celý spalovací proces probíhá ve
spalovacích periodách
nestabilní tlakové poměry v komínu (v závislosti na změně teploty spalin)
proměnlivá spotřeba paliva během spalovací periody
proměnlivé množství spalin během spalovací periody
proměnlivá koncentrace znečišťujících látek během spalovací periody
nízká rychlost spalin v komínu (problém s izokinetickým odběrem)
s ohledem na problematický izokinetický odběr je stanovení emisních faktorů pro znečišťující látky
vázané na tuhé látky, zatížen značnou chybou
omezená opakovatelnost spalovacích zkoušek (značná citlivost systému na vnější zásahy a změny
podmínek)
běžné provozní podmínky se mohou značně lišit od podmínek při kterých jsou testy prováděny
v laboratořích
Výše uvedené body naznačují široké pole aspektů, které evidentně ovlivňují důvěryhodnost stanovených
emisních faktorů a následně pak bilanci emisí z malých zdrojů. První druh problémů je problém reprezentativnosti
typu spalovacích zařízení včetně typu paliva. Jedná se o kompromisní výběr reprezentativních typů.
Ing. Pavel Abrla, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba, [email protected]
/9/
Brno 2006
Druhý typ problémů se zabývá technickými problémy měření parametrů pro následné stanovení emisních faktorů.
PROBLEMATIKA MĚŘENÍ EMISÍ Z MALÝCH STACIONÁRNÍCH ZDROJŮ
Základní pravidla pro testování kamen a kotlů spalujících tuhá paliva jsou popsány v evropských normách. Při
testování kamen jsou zcela mimo zájem normy emise tuhých látek. U kotlů malých výkonů je pouze uvedeno, že
se odběr pro stanovení množství tuhých látek má provádět izokineticky dle standardizovaného postupu [4].
Důležitým problémem při stanovování emisních faktorů emisí vázaných na tuhé látky je přiblížení se odběru
vzorku k izokinetickým podmínkám. S ohledem na nízké rychlosti spalin (0,5 - 2 m/s), které se v komínech
malých zdrojů vyskytují a také na skutečnost, že celý proces je nestabilní a dynamicky se měnící, je možnost
izokinetického odběru značně omezena.
ŘEDÍCÍ TUNEL
Jako vhodný způsob řešení problému s izokinetickým odběrem spalin se nabízí použití tzv. ředícího tunelu (viz
Obr. č. 1). Jedná se vlastně o část kouřovodu. Spotřebič tuhých paliv je napojen ke komínu dle pokynů výrobce
zařízení. Spaliny jsou vedeny komínem až k ředícímu bodu, kde první část komína končí. V tomto místě jsou
spaliny smíchány (naředěny) s okolním vzduchem a jsou uměle odsávány skrz digestoř do ředícího tunelu.
Zjednodušeně lze říci, že technická část problematiky stanovení emisních faktorů znečišťujících látek pro mobilní
zdroje je velmi blízká problematice stanovení emisních faktorů z malých stacionárních zdrojů. Mobilní zdroje se
testují v laboratoři na měřícím zařízení při podmínkách velice blízkých reálnému provozu (rozjíždění, řadění,
brždění, jízda z kopce a do kopce). Množství spalin při takovémto provozu je značně proměnlivé a stejně tak
koncentrace znečišťujících látek se pohybuje v různých řádech. Protože emisím z mobilních zdrojů v porovnání
s emisemi z malých stacionárních zdrojů je věnována značná pozornost, je metodika stanovení emisních faktorů
pro mobilní zdroje na vyšší úrovni propracovanosti než u stacionárních zdrojů. Spaliny z výfuku automobilu jsou
vedeny do ředícího tunelu, kde jsou po stabilizaci proudění prováděny potřebné odběry a měření.
Ředící tunel pro malé stacionární zdroje popisují dvě normy, jedná se o americkou a australskou normu. Mají
určité náležitosti týkající se jeho průměru, jednotlivých délek, vzdáleností jednotlivých míst a umístění odběrových
míst a místa pro měření rychlosti proudění spalin.
Odběr tuhých látek za ředícím místem má tyto hlavní výhody:
•
•
•
•
rychlost spalin je možné ovlivnit nastavením ředícího poměru a rychlost se pohybuje v hodnotách
vhodných pro nastavování izokinetického odsávání spalin
koncentrace znečišťujících látek po naředění je menší, takže problémy se zahlcením filtrů a PU pěn jsou
značně menší než při odběru přímo v komínu
měření je prováděno až za koncem komínu, takže naměřené emise odpovídají emisím vypouštěným na
konci komínu a zahrnují případný vliv komínu
koncentrace vody za ředícím bodem je řádově nižší, což usnadňuje řešení problematiky rosného bodu a
kondenzace vodní páry v měřícím úseku a také v odběrové aparatuře
/ 10 /
Brno 2006
Obr. 1 Schématické zobrazení uspořádání měřící tratě pro malé zdroje s vestavěným ředícím tunelem [2], [3]
POUŽITÁ LITERATURA
[1] HORAK, J. (2002): Kvalita spalování tuhých paliv v ohništích malých výkonů. VŠB-TU Ostrava
[2] Australská norma AS/NZS 4013:1999, Domestic solid fuel burning appliances-Method for determination of
flue gas emission
[3] EPA METHOD 5G - Determination of particulate matter emissions from wood, USA
[4] ISO 9096, Stationary sources emission - Determination of concentration and mass flow rate of particulate
materiál in gas-carrying ducts - Manual gravimetric method
/ 11 /
Brno 2006
/ 12 /
Brno 2006
DEAKTIVACE KOVOVÝCH KATALYZÁTORŮ
Marek Baláš, Martin Lisý, Přemysl Kohout, Hugo Šen, Ladislav Ochrana
Tento článek se věnuje problematice použití niklových katalyzátorů jako jedné z možností čistění plynu
vznikajícího zplyňováním biomasy a to hlavně k redukci dehtu obsaženého v plynu. Článek se zabývá především
deaktivací katalyzátorů vlivem zauhlíkování, slinováním a otravou sloučeninami síry. Dále pak rozborem metod
zabraňujících deaktivaci nebo alespoň snižující její rychlost. Na konci článku je nastíněn současný stav výzkumu
použití niklových katalyzátorů pro čištění energoplynu generovaném na stendu Biofluid 100.
Klíčová slova: biomasa, katalytické štěpení, odstraňování dehtů, deaktivace
ÚVOD
Hlavním problémem aplikace plynu ze zplyňování biomasy a odpadu k výrobě elektrické energie a tepla je jeho
kontaminace dehtem (až jednotky g.mn-3). K odstranění dehtu z plynu je využíváno několik primárních opatření
(termické či katalytické štěpení dehtu přímo ve zplyňovacím generátoru) a sekundární metody, z nichž
nejrozšířenější jsou mokrá vypírka a katalytická redukce. Jako jeden z možných katalyzátorů je využíváno
přírodních materiálů (dolomit, olivín, zeolit atp.). Jejich výhodou je snadná dostupnost a relativně nízká cena,
nevýhoda spočívá v nízké aktivitě.
K čištění plynu od dehtu se dá také využít katalyzátorů kovových, které jsou běžně využívané v petrochemickém
průmyslu pro reforming nafty a zemního plynu na syntetický plyn, pro odstraňování CO2, získávání vodíku pro
palivové články atp. Z katalyzátorů na kovové bázi je nejběžnější nikl nanesený na různých nosičích (Al2O3, SiO2,
MgAl2O4, zeolit). Používáním niklových katalyzátorů roste obsah H2 a CO v plynu, metan a vyšší uhlovodíky jsou
redukovány nebo odstraněny. Některé studie také ukazují, že nikl redukuje množství NH3 v plynu [1].
Komerční niklové katalyzátory se vyskytují v různých tvarech (válečky, tyčinky, děrované tvary atp.). Válečky
nejsou mechanický příliš pevné (křehkost, otěr) a jsou navrženy pro použití v reaktorech s pevným ložem. Podle
pracovní teploty je můžeme rozdělit na dvě skupiny:
•
•
pre-reformingové, pracující v nižších teplotách (okolo 450÷500 °C)
reformingové, pracující při teplotách 750 ÷ 900 °C
Hlavními výhodami kovových katalyzátorů jsou možnost jejich provozu i za nižších teplot, několikanásobně vyšší
aktivita, což umožňuje používání menšího množství katalyzátoru pro vyčištění plynu a tím i kompaktnější zařízení
menších rozměrů (v porovnání s např. dolomitem).
SLOŽENÍ KATALYZÁTORU
Pro průmyslové účely se využívají zejména vícesložkové, tzv. nosičové, katalyzátory. Aktivní složka se nanáší
na pórovitou podložku-nosič, nejčastěji inertního materiálu. V některých případech nosič reaguje s katalyticky
účinnou látkou a zvyšuje tak její aktivitu. Vlastnosti katalyzátoru se často upravují pomocí tzv. aktivátorů a
promotorů. Promotor je látka, která může být pro danou reakci katalyticky neúčinná, ale silně zvyšuje aktivitu
vlastního katalyzátoru. Tyto látky mohou ovlivňovat celou škálu vlastností katalyzátorů jako je jejich aktivita,
selektivita, tepelná stabilita atd. Aktivátor zvyšuje aktivitu katalyzátoru. Vždy se hledá jeho optimální dávkování,
aby bylo dosaženo co nejvyšší stability a aktivity. Využití mají například tyto katalyzátory FeS, CoO, NiO.
Typickým nosičem jsou aluminosilikáty nebo aktivovaná aluminia jako krakovací složka a kovy Ni, Co, W, Mo, Pt.
MECHANISMUS POVRCHOVÉ REAKCE
Principem katalytických degradačních metod je štěpení vysokomolekulárních látek na jednodušší látky. Jedná se
především o následující chemické pochody:
Ing. Marek Baláš, VUT FSI Brno, EÚ, Technická 2, 616 69 Brno, [email protected]
/ 13 /
•
•
•
Brno 2006
Katalytické krakování - proces při kterém jsou štěpeny vysokomolekulární látky za přítomnosti reaktantů a
katalyzátoru.
Katalytický parní reforming - reakce vodní páry s uhlovodíky, produktem reakce je směs látek: oxidu
uhelnatého, oxidu uhličitého, methanu a vodíku;
Hydrokrakování - dochází ke katalytickému štěpení v přítomnosti vodíku a k hydrogenaci produktů.
Zjednodušený mechanismus pro katalytický reforming dehtu je podrobně popsán v literatuře [2]. Celý proces se
dá popsat následujícími rovnicemi [3]:
m−x
H2
2
C n H x − *2 + n* → C n −1 H x′ − *2 + CH x − *n
x
CH x − *n + O − * → CO + H 2 + (n + 1) *
2
H 2O + * ↔ O − * + H 2
H 2 + 2* ↔ 2 H − *
C n H m + 2* → C n H x − *2 +
rovnice 1
rovnice 2
rovnice 3
rovnice 4
rovnice 5
kde * je aktivní centrum katalyzátoru.
Nejdříve je metan nebo jiný uhlovodík adsorpcí oddělen na aktivních centrech niklu, kde nastává štěpení vodíku
(rovnice 1). Tato reakce začíná probíhat již při teplotách 100÷300 °C. Rychlost tohoto procesu je závislá na typu
adsorbované sloučeniny a teplotě. Nejrychleji se adsorbují látky vysokomolekulární s aromatickým charakterem.
Intenzita adsorpce uhlovodíků na povrchu závisí na typu adsorbovaných uhlovodíků. Alkeny a aromáty
se adsorbují rychleji, než nasycené uhlovodíky. Ale štěpení těchto nenasycených látek probíhá oproti
uhlovodíkům nasyceným pomaleji a může vést k hromadění adsorbovaných uhlovodíků a k tvorbě polymerního
povlaku na povrchu niklového katalyzátoru (rovnice 2). Voda je adsorpcí oddělena na keramickém nosiči,
hydroxyluje povrch.
Dále dochází k α-štěpení C-C (uhlíkatých) vazeb, což vede k tvorbě intermediátu C1 (CHx-*), (rovnice 2). Tyto
intermediáty jsou následně podrobeny dehydrogenaci, která vede až k tvorbě volných atomů uhlíku (C-*)
adsorbovaných na povrchu niklu (rovnice 3). Tyto volné atomy uhlíku spolu s fragmenty C1 podléhají na povrchu
katalyzátoru povrchovým reakcím s absorbovaným kyslíkem za vzniku oxidu uhelnatého. Při příhodné teplotě
migrují OH radikály na stranu kovu, řídí oxidaci fragmentů středních uhlovodíků a povrchového uhlíku na CO+H2.
Odstraňování volných atomu uhlíku (C-*) a rychlost jeho zplyňování je závislá na množství adsorbovaného
kyslíku. Zdrojem tohoto kyslíku jsou reakce disociace adsorbované vodní páry respektive CO2. Adsorpce vodní
páry (resp. CO2) je závislá na vlastnostech systému a parciálním tlaku. Afinitu těchto látek lze zvýšit volbou
vhodného nosiče, přídavkem alkálií a oxidů (K2O, CaO, MgO, La2O3, ZrO2) podporujících adsorpci vody a adici
vhodných promotorů (např.: V, Cu, Mo, Mn) [4].
DEAKTIVACE NIKLOVÝCH KATALYZÁTORŮ
Kombinace vysokých teplot, přítomnosti uhlovodíků a vysokotlaké páry (které jsou nutné k parnímu reformingu)
vytváří pro niklové katalyzátory těžké prostředí a nikl tak čelí během reformingu několika faktorům snižujících jeho
aktivitu, která je klíčovým parametrem pro životnost katalytické náplně. Závislost parciálních tlaků reaktantů a
produktů ukazuje mnoho studií. Nevýhodou kovových katalyzátorů je jejich poměrně snadná náchylnost
k deaktivaci. Deaktivací katalyzátoru se rozumí ztráta jeho aktivity. Deaktivace může být způsobena:
•
•
•
blokováním aktivních center katalyzátoru v důsledku zauhlíkování
katalytickými jedy (H2S) či látkami blokující porézní systém katalyzátoru (alkalické kovy, SiO2)
nevratnými změnami systému nosič-katalyzátor (spékání, slinování)
/ 14 /
Brno 2006
Dalším provozním problémem je přítomnost prachu v plynu, která může způsobovat zanášení katalyzátoru. Proto
se plyn musí odprášit. Koncentrace nečistot se pohybuje pro popel 5÷30 g.mn-3 a pro alkalické kovy 0,5÷30 g.mn-3
[5]. Plyn obsahuje alkálie, a proto se odprášení za teplot nad 700 °C stává problematické. Alkalické kovy reagují
při vysokých teplotách s materiálem keramických filtrů, což může vést k jejich úplnému znehodnocení.
Při porovnání hodnot množství CO2 a CO v plynu za katalyzátorem s hodnotami obvyklými pro nekatalytický
reforming se ukazuje, že i po deaktivaci má katalyzátor stále nějakou aktivitu. Důsledek deaktivace katalyzátoru
je klesající produkce H2 a CO2 a vzrůstající objem CO v plynu (viz. Obr.1).
1
90
0,9
80
0,8
70
0,7
60
0,6
50
0,5
40
0,4
30
0,3
20
0,2
10
0,1
0
mole C in gas/mole C fed
Hydrogen yield [%]
100
H2
CO2
CO
0
0
5
10
15
time [min]
20
25
30
Obr. 1 Produkce plynu během katalytického parního reformingu frakcí bio-oleje použitím katalyzátoru Ni/Al2O3 [2]
Deaktivace katalyzátorů zauhlíkováním
Tvorba uhlíku (koksu) je nechtěný efekt reakcí na povrchu katalyzátoru (rovnice 1 až rovnice 5) [2].
Známe několik typů uložení uhlíku: vousatý (vzniká nad 500 °C), zapouzdřený (pod 400 °C), pyrolytický
(nad 650°C). Základy formování uhlíku a možnosti minimalizace jsou v literatuře [6,7].
K tvorbě dlouhých vláknitých úsad dochází tak, že nejdříve probíhá dehydrogenace fragmentů C1 za vzniku
volných atomů uhlíku (rovnice 4), tyto atomy se rozpouštějí a migrují v niklovém krystalu, až do dosažení
tzv. kritické koncentrace, při které se začínají vylučovat na povrch krystalu ve formě tzv. „vousů“ (viz. Obr.2) a to
zejména při teplotách nad 500 °C. Tyto vzniklé „vousy“ (vlákna) nezpůsobují přímo deaktivaci katalyzátoru, ale
při jejich nadměrném růstu dochází k nevratné úplné destrukci částic katalyzátoru.
Obr. 2 Schéma procesu vzniku vousatého uhlíku na niklové částici
K překrytu aktivního povrchu uhlíku dochází naopak při nižších teplotách (pod 400 °C) a to v důsledku zvýšené
koncentrace adsorbovaných uhlovodíků. Takto vzniklé polymery jsou velice aktivní a skládají se zejména
z CH2-molekul, časem se ale transformují na méně aktivní aromatické struktury. Tato deaktivace může být až
několikrát rychlejší, než deaktivace způsobená katalytickými jedy (H2S).
/ 15 /
Brno 2006
Tvorba pyrolýzního uhlíku probíhá, při teplotách vyšších jak 650 °C, často v důsledku snížené aktivity
katalyzátoru. Tato pyrolýza daleko snadněji probíhá u nenasycených uhlovodíků a je podporována nosiči
s kyselou aktivitou. Tvorba pyrolýzního uhlíku může vést až k úplnému zanesení katalyzátoru. Při teplotách nad
700 °C se zvyšuje rychlost zplyňování uhlíkatých usazenin vodní parou a CO2. Ztrátu aktivity v tomto případě lze
minimalizovat zvýšením obsahu vodní páry. V tomto případě deaktivace katalyzátoru hraje hlavní roli poměr S/C
(nižší hodnota vede k rychlejší deaktivaci), mechanismus deaktivace katalyzátoru a samozřejmě složení plynu
respektive uhlovodíků. Uhlík může být odstraněn regenerací katalyzátoru, avšak opakovaný vysokoteplotní
proces může vést ke slinování, přetváření a odpařování niklu.
Deaktivace katalyzátoru katalytickými jedy
Absorpční kapacita síry je jedním z důležitých parametrů reformingových katalyzátorů, protože hlavním
katalytickým jedem u niklových katalyzátorů jsou sloučeniny síry (sirovodík a karbonylsulfid). A to i přes to,
že v původní biomase je síry poměrně málo. Při přítomnosti H2S je katalytická aktivita niklových katalyzátorů
snižována adsorpcí síry na niklový povrch a vytvářením sulfidů niklu podle rovnice 6 [8]:
H 2 S + Ni ↔ Ni − S + H 2
rovnice 6
Důležitým faktorem pro rychlost deaktivace sírou je teplota – se vzrůstající teplotou roste i tolerantnost
katalyzátorů vůči sirným sloučeninám. Udává se, že pro bezpečný provoz reformingových katalyzátorů za vyšších
teplot musí být poměr H2S/ H2 menší než 7,5*10-5. Při teplotách pod 500 °C jsou zachycována i nižší množství
H2S, které způsobují deaktivaci katalyzátoru. Dojde-li na povrchu niklu k rovnovážnému stavu pro danou teplotu a
množství síry, deaktivační zóna se posouvá dále reaktorem.
Provozní efekt otravy sírou vyplývá z adsorpční kapacity, tedy především na niklovém povrchu a tvaru
katalyzátorových pelet. Při otravě sírou v katalytickém loži je absorpce síry v nových tvarech katalyzátoru
(především děrované tvary) rychlejší než na klasických válečkových katalyzátorech. Mimoto pokles tlaku je nižší
pro tvary s vnitřními dírami. Regenerace takto deaktivovaného katalyzátoru se provádí za zvýšené teploty
vodíkem nebo vodní parou a je velice pomalá.
Deaktivace katalyzátoru slinováním
Slinováním se zvětšuje velikost niklových krystalků, což má za následek zmenšování plochy povrchu a následně
snižování aktivity katalyzátoru. Rychlost slinování niklových krystalků úzce souvisí s teplotou, morfologií povrchu,
strukturou nosiče a podmínkami kalcinace a aktivace. U niklových katalyzátorů můžeme slinování očekávat
nad teplotou 591 °C, což je přibližně polovina teploty tání niklu. Odolnost vůči slinování se zvyšuje vhodnou
volbou nosiče s termicky rezistentní mikroporézní strukturou, kde jsou jednotlivé krystalky vzájemně separovány
vhodným tvarem podkladu [9,10].
OPATŘENÍ PROTI DEAKTIVACI
Ze stručného přehledu deaktivace niklových katalyzátorů je zřejmé, že pro zajištění co nejpomalejší rychlosti
deaktivace pro daný katalyzátor, je třeba nalézt co nejlepší provozní podmínky (teplotní pásmo, poměr množství
plynu ku množství katalyzátoru, průtokovou rychlost plynu atd.) a učinit další opatření na základě výzkumu
provedeného na konkrétních zařízení.
Pro snižováni tvorby uhlíku lze použít dvě strategie. První je založena na zvýšení adsorpce páry na katalyzátoru
se záměrem zabránit formování uhlíku na povrchu katalyzátoru. Nejpodstatnější faktor je poměr S/C – uhlíku
v palivu ku množství vodní páry v plynu [6]. Druhá cesta spočívá v modifikaci povrchových reakcí díky přítomnosti
jiného kovu.
Deaktivace katalyzátoru vlivem usazování síry se v praxi řeší buď dostatečnou kapacitou katalyzátoru nebo
ochranným ložem přeřazeným před reaktor s niklem. Ochranné lože se nejčastěji skládá z kovových katalyzátorů
na bázi zinku, mědi nebo železa.
/ 16 /
Brno 2006
Změna složení katalyzátoru
Dosavadní zkušenosti s využitím komerčních katalyzátorů pro rozklad dehtu poskytují dobré podklady
pro výzkum nových složení katalyzátorů vedoucích k optimalizaci požadovaných vlastností. Přidáváním
rozličných aktivátorů a nosičů se zlepšuje životnost katalyzátorů a jejich odolnost vůči deaktivaci usazováním
uhlíku, otravou sírou a chlorem a slinováním. Některé nové katalyzátory díky výzkumu mají vynikající účinnost
odstraňování dehtu, vhodné mechanické vlastnosti pro použití ve fluidních reaktorech nebo dlouhou životnost.
Přesto životnost niklových katalyzátorů zůstává stále jejich největší slabinou.
Při zvyšování odolnosti katalyzátorů proti otravě sírou bylo zkoumáno přidávání promotorů Mo, W, Li, K, Mg, Ca a
La na Ni-Al2O3 katalyzátor. Výsledkem těchto pokusů bylo zjištění, že promotory Li, K, Ca a Mg zvyšují odolnost
proti sírové otravě niklových katalyzátorů [11]. Hořčík (Mg) zvyšuje absorpční schopnost páry a pevné
rozpouštědlo NiO/MgO stabilizuje nikl a předchází slinování. V porovnávacích studiích niklových katalyzátorů bylo
zjištěno, že Ni/MgO ukazují dlouhou teplotní stabilitu, která je přisuzována nízkému slinování, tedy limitovanou
tvořením uhlíku. Přidávání lanthanu (La) zlepšujeme stabilitu katalyzátoru a snižujeme utváření uhlíku [12]. Hlavní
efekt chrómu (Cr) dodaného do katalyzátoru Ni/Al2O3 je vylepšení stability katalyzátoru spíše než posílení jeho
aktivity. Podpora kobaltu (Co) je hlavně ve větší odolnosti vůči deaktivaci uhlíkem. Přidávání Co na NiO-MgO
katalyzátor má příznivý efekt na potlačení nebo podstatné snížení tvorby nitkového uhlíku na katalyzátoru během
reformingu CO2 z metanu.
Vliv koncentrace a složení dehtu na deaktivaci katalyzátoru
Obecně lze říci, že se zvyšující se koncentrací dehtu se zvyšuje i množství uhlíkových usazenin a tedy
deaktivace katalyzátoru nastává daleko rychleji. Proti vyšším koncentracím dehtu je velice odolný kalcinovaný
dolomit, ale ten se stává účinným, až při vysokých teplotách. V případě niklových katalyzátoru lze snížit
nežádoucí deaktivaci zvýšením stupně adsorpce vodní páry, a tím pádem zachováním a nebo i zvýšením poměru
S/C. Jako bezpečná hranice, při které za podmínek parního reformingu neprobíhá zauhlíkování, se uvádí
hodnota 2÷2,5. Ovšem je nutné si uvědomit, že hodnota S/C je závislá na složení a koncentraci uhlovodíku,
teplotě procesu a vlastnostech katalyzátoru. S rostoucí teplotou, poměrem S/C a parciálním tlakem vodíku
rychlost deaktivace tohoto typu klesá. Opačně s rostoucím obsahem aromatických sloučenin rychlost narůstá.
Katalyzátor prakticky pracuje v teplotním okně, kdy při teplotě nižší, než dolní hranice okna dochází na niklovém
katalyzátoru k tvorbě polymerních povlaků zabraňujících přistup reaktantů k povrchu katalyzátoru a jeho
deaktivaci. Při teplotách vyšších jak horní hranice dochází k tvorbě "vousatého uhlíku" a nastává postupné
zanášení katalyzátoru. V rozmezí těchto dvou teplot pracuje katalyzátor bez nebezpečí zauhlíkování. Velikost
tohoto "pracovního okna" je závislá na poměru S/C, čím je tato hodnota vyšší, tím v širším teplotním intervalu lze
provozovat katalyzátor, aniž by docházelo k jeho zauhlíkování.
Odstraňování síry
Síra je jedním z faktorů deaktivace niklových katalyzátorů. Proto je téměř nutným krokem odstranění síry z plynu
před jeho vstupem do niklového lože. Vhodné sorbenty pro vysokoteplotní odstraňování sirných sloučenin jsou
oxidy přechodových kovů a kovů alkalických zemin samotných, nebo v kombinaci s různými nosiči, případně
přírodní materiály tyto oxidy obsahující. Hlavní funkcí sorbentu je snížit koncentraci sirných sloučenin v plynu
na úroveň požadovanou následnými procesy. Dalším požadavkem je, aby nezreagovaný sorbent byl za daných
podmínek stabilní.
Při hledání optimálního sorbentu bylo provedeno mnoho studií. Zaměříme-li se na vysokoteplotní odsiřování,
které lze provádět při teplotách v rozmezí 400÷900 °C, lze říci, že pro procesy odsiřování použít následující
sloučeniny nebo jejich směsi: CaO, Fe a FexOy, Cu a CuO, ZnO, MnO [13,14,15].
•
Oxidy železa – Fe2O3 má pro odsiřování mnoho výhod: je levný, před použitím nevyžaduje žádné úpravy a
použitý sorbent se může ukládat na skládku. Nevýhodou je, že pro dosažení zbytkové koncentrace H2S nižší
než 10 ppm se musí adsorpce provádět při teplotách pod 350 °C. Koncentraci 100 ppm lze dosáhnout ještě
při 650 °C. K problémům použití oxidů železa patří otěr sorbentu, pašnost a eroze potrubí.
/ 17 /
•
•
Brno 2006
Oxidy zinku – ZnO se pro svou vysokou afinitu k H2S i za vysokých teplot používá v průmyslu již řadu let.
Jeho sulfidační rekace je (např. v porovnání s železem) velice jednoduchá. Problémem odsiřování na ZnO je
uzavírání pórů reakčními produkty (ZnS), což zapříčiňuje nízké hodnoty konverze.
Vápníkové materiály - pro odstranění H2S z energoplynu jsou vhodné i vápenaté materiály (vápenec a
dolomit). Tyto materiály vykazují dostatečnou afinitu k sirným sloučeninám za redukčních (vzniká CaS) i
oxidačních podmínek (vzniká CaSO4). Jsou teplotně stabilní, levné a snadno dostupné [16]. Mezi nevýhody
použití vápníkových sorbentů patří nesnadná regenerovatelnost, potíže se skládkováním, pomalá sorpce při
nízkých teplotách a velice rozdílné vlastnosti materiálů pocházejících z různých zdrojů. Pro dosažení nízkých
koncentrací H2S při vysokoteplotním odsiřování je nutné použít nejnižší možnou teplotu. Minimální teplota,
při které je rovnovážná koncentrace H2S závislá pouze na obsahu vodní páry v energoplynu, je kalcinační
teplota CaCO3 za daných podmínek.
SOUČASNÝ STAV VÝZKUMU NIKLOVÝCH KATALYZÁTORŮ NA EÚ FSI V BRNĚ
Čištění energoplynu užitím niklových katalyzátorů je v současné době předmětem činnosti pracoviště
Energetického ústavu FSI VUT v Brně. Jde o další krok při úpravě energoplynu generovaného jednotkou
Biofluid 100, který má vést k dočištění plynu pro jeho využití v kogenerační jednotce. Biofluid 100 je atmosférický
fluidní zplyňovací generátor se stacionární fluidní vrstvou. Podrobnější popis je v předešlých článcích autora,
např. [17]. Dosavadní výzkum byl zaměřen na primární metody odstraňování dehtu a ke katalytickému štěpení
v horkém katalytickém filtru (HKF) jehož náplní byl dolomit. Filtr s niklovými katalyzátory bude použit buďto
namísto dosavadního HKF nebo jako poslední stupeň eliminace dehtu sloužící k eliminaci výkyvů množství dehtů
obsaženého v plynu. Pro testování katalyzátorů byly navrženy 2 měřící trati:
•
•
Pokusná trať – malý filtr zařazen za horký katalytický filtr (který zde slouží jako ochranné lože) pro průtoky
cca 5 l.min-1. Filtr je otápěn keramickým topným tělesem a jeho max. náplň je 500 g katalyzátoru. Trať je
navržena pro pre-reformingové katalyzátory – provozní teplota do 700 °C. Výhodou tohoto zařízení je
sledování změn funkce katalyzátoru na malém vzorku, operativnější podmínky a nižší náklady.
Provozní trať – filtrační nádoby dimenzované na plný průtok 30 m3.hod-1 zařazené za HKF. Ten však
nemusí být zapojen. Trať se skládá z ochranného lože (náplní jsou katalyzátory sloužící k odstranění síry) a
vlastního filtru pro Ni katalyzátor.
První pokusy byly provedeny na pokusné trati na podzim roku 2006. Cílem měření bylo testování katalyzátoru
na bázi niklu a určení jeho vhodnosti pro použití při odstraňování dehtu z energoplynu generovaném v jednotce
Biofluid 100. Jednalo se o první, pilotní měření, které mělo především otestovat měřící trať a přinést první
výsledky o deaktivaci katalyzátoru a jeho účinnosti při rozkladu dehtu.
Obr. 3 Biofluid 100 a HKF s navrženou tratí pro měření Ni katalyzátorů
/ 18 /
Brno 2006
Pro měření byla navržena pokusná trať (viz Obr. 3). Palivo je dodáváno do generátoru pomocí šnekového
podavače. V generátoru dojde ke zplynění paliva a vzniklý plyn odchází přes cyklón (pro odloučení polokoksu) do
horkého katalytického filtru (HKF) s dolomitovým ložem. Toto „ochranné“ lože je zařazeno pro snížení množství
dehtu, odstranění prachu a redukci množství sloučenin síry. Z HKF plyn odchází na hořák, kde je za podpory
zemního plynu spálen. Mezi HKF a hořákem je odebírán plyn jdoucí do filtru s Ni katalyzátorem.
Jako palivo při experimentech byla použita dřevní štěpka. Primární vzduch byl otápěn na 150 °C, teplota
ve fluidním loži byla po celou dobu experimentů v rozmezí 790÷810 °C. Frekvence šneku byla 6÷6,5 Hz, což
podle charakteristik podávacích schopností paliva pro dřevní štěpku odpovídá 9÷12 kg.hod-1. Množství
primárního vzduchu bylo 25 mn3.h-1. Regulátory teplot pro otápěcí tělesa HKF byly nastaveny na 600 a 700 °C.
Množství náplně bylo 6 kbelíků, tzn. přibližně 6/10 maximální možné náplně. Teploty na stěně HKF byly po celou
dobu experimentu 600 °C (700 °C), teploty v ose byly přibližně 520÷550 °C. Filtr pro Ni katalyzátor byl otápěn
keramickým topným tělesem na 600 °C. Před zahájením samotného měření bylo nutno katalyzátor regenerovat.
To se stalo pomocí profukování ohřátého filtru vodíkem. Průtok plynu byl 4÷6 l.min-1. Během měření byl sledován
zejména průtok plynu (rotačním průtokoměrem) a změny v jeho složení pomocí on-line analyzátoru (Infralyt),
který snímal některé složky (CO, CO2, HC a O2). Dále byly odebírány vzorky plnu do skleněných vzorkovnic (9x),
vzorky dehtu (2x). Tyto vzorky byly vždy odebírány současně před a za filtrem. Dalšími sledovanými veličinami
byl tlak (měřen U-trubicí) a teplota v loži měřena teploměrem Comet s Ni-Cr termočlánkem. Průběh teplot a režim
odběrů vzorků plnu a dehtu je patrný z Obr. 4.
Obr. 5 Poměr volného H2 a H2 vázaného
v uhlovodících před a za filtrem s Ni kat.
Obr. 4 Graf průběhu teplot ve filtru s Ni katalyzátorem
Souhrnné podmínky a výsledky pokusů jsou patrné z Tab 1. Z množství dehtu v plynu před a za niklovým
katalyzátorem je patrné, že použití niklových katalyzátorů je dobrou cestou pro redukci dehtu. Účinnost eliminace
není příliš vysoká, avšak šlo pouze o první pokusy určené ke zjišťování reálných pracovních podmínek
katalyzátorů, které budou v dalších krocích optimalizovány. Účinnost rozkladu uhlovodíků je patrný i z Obr. 5.
Tab. 1 Přehled provozních podmínek a výsledků experimentů s Ni katalyzátory
Generátor plynu
Palivo: dřevní štěpka a hobliny
Teplota zplyňování: 820 °C
Množství paliva:
cca 9÷12 kg.hod-1
Množství vzduchu: 22 m3.hod-1
Složení plynu: CO2= 19,02 %
CO = 8,86 %
H2 = 11,84 %
CH4 = 3,54 %
Průměrné množství dehtu
na výstupu: 2815,0 mg.mn-3
Horký filtr
Náplň HKF: dolomit
Teplota lože HKF: 600 a 700 °C
Množství náplně HKF: 6/10 celkového
množství (cca 60 kg)
Průtok plynu: cca 17 mn3.hod-1
CO = 10,88 %
H2 = 15,15 %
CH4 = 2,18 %
Průměrné množství dehtu na výstupu:
1017,1 mg.mn-3
/ 19 /
Niklový filtr
Doba pokusu: 5 hodin
Teplota: 600 °C
Množství náplně Ni: 330 g
Průtok plynu: 4÷6 l.min-1
CO = 15,44 %
H2 = 18,72 %
CH4 = 0,09 %
Průměrné množství dehtu
na výstupu: 78,5 mg.mn-3
Brno 2006
ZÁVĚR
Cílem výzkumné činnosti na Energetickém ústavu zapojení kogenerační jednotky spalující plyn generovaný
v atmosférickém fluidním zplyňovači Biofluid 100. Pro tuto aplikaci je však potřeba z energoplynu odstranit
nežádoucí látky, hlavně dehet a prach, které způsobují provozní problémy motoru. Jak ukázaly dosavadní
výsledky aplikace katalyzátorů na bázi niklu, jsou niklové katalyzátory možnou cestou pro eliminaci dehtu, avšak
v současné době stojíme na začátku této cesty.
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za podpory Grantové agentury České republiky, projekt GAČR 101/06/0650 "Výzkum
čištění energoplynu"
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
Stevens, D. J.: Hot Gas Conditioning: Recent Progress Wiht Larger-Scale Biomass Gasification Systems,
Update and Summary of Recent Progress. National Renewable Energy Laboratory, Golden, USA, 2001
NREL/SR 510-29952
Garcia, L., French, R., Czernik, S.: Chronet, E.: Catalytic Steam Reforming of Bio-oils for the Production of
Hydrogrn: Efect of Catalyst Composition. Applied Catalysis A: General 201 (2000), 225-239.
Rostrup-Nielsen, J. R.: Catalytic Steam Reforming. Catalysis – Science and Technology, Springer-Verlag,
Berlin,1984, ISBN 3-540-12665-1
Maršák, J., Skoblja, S.: Uplatnění katalyzátorů při odstraňování dehtu ze zplyňování biomasy. Chemické
listy 96, (2002), str. 813-820, Praha, ISSN 0009-2770
Bridgwater, A. V.: The Technical and Economic-Feastability of Biomass Gasification for Power Gasification.
Fuel 74, 631÷653, 1995, Elsevier
Trimm, D. L.: Coke Formation and Minimization During Steam Reforming Reactions. Catalysis Today 37
(1997) 233÷238, Elsevier
Rostrup-Nielsen, J. R.: Industrial Relevance of Coking. Catalysis Today 37 (1997) 225÷232, Elsevier
Zhang, Y., Draelants, D. J., Engelen, K., Baron, G. V.: Improvement of Sulphur Resistance of a Nickelmodified Catalytic Filter for Tar Removal from Biomass Gasification Gas. Journal of Chemical Technology &
Biotechnology, 78, 265-268, 2003. ISSN 1097-4660, Online ISSN: 0268-2575
Bengaard, H. S. at al: Steam Reforming and Graphite Formation on Ni Catalyst. Journal of Catalysis 209
(2002) p. 209
Kim, J. H., Suh, D. J., Pakk, T. J., Kim, K.L.: Effect of Particle Size on Coking during CO2 Reforming of CH4
over Ni-alumina Aerosol Catalysts. Applied Catalysis A: General 197 (2000), 191. Elsevier
Chen, I., Shiue, D.W.: Resistivity to Sulfur of Nickel-alumina Catalysts. Ind. Eng. Chem. Res: 27, 13911396, 1988
Ross, J. R. H.: Use of thermal analysis techniques in research on methanation catalysts. Analytical
Proceedings 22 (1985) 236 – 244,
Solich, M., Skoblja, S., Koutský, B., Malecha, J.: Možnosti vysokoteplotního odstraňování sulfanu při
zplyňování biomasy a alternativních paliv. Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy III“, Brno,
2004, ISBN 80-214-2805-8
Khol, A. L., Riesenfeld, F. C.: Gas Purification, 4. vydání, Gulf Publishing Copany, Houston, Texas, 1985
Horikawa, M. S.: Purificacao de Biogas – Remocao de H2S. Dissertsation work, PEQ, Universidade
Estadual de Maringa, Brazil, 2001
Hartman, M., Svoboda, K., Trnka, O., Veselý, V.: Odsiřování horkého generátorového plynu tuhými
sorbenty. Chemické Listy, 93 (1999), 99.
Lisý, M., Baláš, M., Kohout, P., Ochrana, L.: Provozní podmínky vysokoteplotního katalytického filtru,
Energie z biomasy IV, sborník příspěvků ze semináře. Brno, 2005, ISBN 80-214-3067-2
/ 20 /
Brno 2006
NEGATIVNÍ VLIVY ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ BIOMASY – EMISE
Marek Baláš, Hugo Šen
Problematika energetického využití biomasy je dnes velice aktuální. Článek se snaží nezaujatým způsobem
pojednat o emisích vznikajících při spalování biomasy. Zabývá se především jejich vznikem při termických
procesech, dopadem na životní prostředí a možnostech jejich eliminace.
Klíčová slova: emise, spalování, zplyňování, dioxiny
ÚVOD
Současná stále se zvyšující celosvětová poptávka po elektrické a tepelné energii ještě více přibližuje dobu, kdy
těžba a použitelnost stávajících fosilních paliv bude na hranici rentability, případně, kdy jejich zásoby budou zcela
vyčerpány. Technický rozvoj si také vybírá svou daň na životním prostředí. Většina technologií vedoucích
k získání elektrické energie produkuje nečistoty, které zatěžují okolní prostředí. Jedná se zejména o skleníkové
plyny (CO2, NOx atd.), složky působící kyselé deště (SO2 a NOx), látky znečišťující odpadní vody a tuhé odpady
(někdy i toxické) ve formě úletu či popele. Proto je hledání alternativních (zejména obnovitelných) zdrojů energie
více než důležité. V České republice, která se zavázala 8 % výrobou elektrické energie z obnovitelných zdrojů do
r. 2010, se jako perspektivní zdroj obnovitelné energie jeví biomasa.
Tento článek pojednává o dopadu využití biomasy pro výrobu tepelné a elektrické energie. Mluvíme-li
o technologiích pro energetické využití biomasy, jedná se zejména o:
•
•
•
Suché procesy - termochemické přeměny biomasy – spalování, rychlá pyrolýza, zplyňování
Mokré procesy - biochemické přeměny biomasy – alkoholové kvašení, metanové kvašení,
Získávání odpadního tepla při zpracování biomasy – kompostování, čištění odpadních vod, anaerobní
fermentace pevných organických odpadů
Zjednodušeně lze říci, že většina z výše uvedených technologií vede k získání meziproduktu, který je (s výjimkou
rozkladu plynu a použití vodíku v palivových článcích) spálen v kotli, spalovacím motoru či turbíně. Vzhledem ke
vzniku škodlivých plynů či směsí jsou u spalování přísně kontrolovány a omezovány plynné emise, tj. jejich
množství a složení.
VLASTNOSTI BIOMASY
Pro tvorbu a složení emisí je, mimo samotného spalovacího procesu, velice důležité zastoupení jednotlivých
chemických prvků v palivu. Určitou nevýhodou biomasy je to, že má velmi rozmanité fyzikálně mechanické
a chemické vlastnosti. Obsahuje například uhlík, vodík, dusík, kyslík, chlór a zpravidla neobsahuje fluor. Obsah
kovů v biomase závisí na lokalitě, kde biomasa byla vypěstována. Lze ale konstatovat, že obsah těžkých kovů se
blíží nule. Poněkud významnější je obsah železa a lehkých kovů – nejvíce vápníku, hořčíku, draslíku, sodíku a
zinku. Obsah a rozptyl jednotlivých složek paliv je parný např. z Tab. 1.
Tab. 1 Prvkové složení biomasy [1]
Prvek
C
H
O
N
S
Cl
%hm sušiny
40÷46
5,5÷6,5
40÷44
1÷5
0,05÷08
0,02÷1
Prvek
K
Na
Ca
B
Fe
F
%hm sušiny
0,3÷5
0,02÷0,5
0,3÷5
< 0,01
0,005÷0,1
0,05÷0,08
Prvek
Si
Cu
Mg
Mn
Zn
Ing. Marek Baláš, VUT FSI Brno, EÚ, Technická 2, 616 69 Brno, [email protected]
%hm sušiny
0,05÷3
<0,01
0,01÷1
<0,03
<0,01
/21/
Brno 2006
Z důvodu vzniku vysokoteplotní koroze a částečně tvorby SO2 je poměrně důležitý obsah chloru a síry. Zatímco
obsah síry je v biomase nižší než u většiny jiných paliv (objevuje se jen u stromové kůry a některých druhů
stébelnin), ale celkový obsah chloru je poněkud vyšší (dokonce vyšší než u uhlí [2]). Ale je třeba zdůraznit,
že nejde o organický vázaný chlor, ale chlor ve formě anorganických chloridů, což je důležitý poznatek zejména
pro produkci škodlivého chlorovodíku, protože ten vznikají převážně konverzí organicky vázaného chloru [3].
Obsah popele pevných biopaliv je v rozsahu 0,3÷1,5 %. Obsahuje cenný soubor minerálních látek, které se dají
použít jako přírodní hnojivo.
EMISE PŘI ENERGETICKÉM VYUŽITÍ BIOMASY
Suchá biomasa je velmi složité palivo, protože obsahuje velký podíl prchavé hořlaviny. Vzniklé plyny mají různé
teploty spalování. Vzhledem k tomu, že se biomasa nejdříve zplyní a plyny následně vyhoří v plynném plameni,
stává se spalování biopaliv dvoustupňovým. Škodliviny ze spalování biomasy se rozčleňují na:
•
•
•
škodliviny z neúplného spalování: CO, CxHy, dehet, saze, nespálené uhlovodíkové částice, vodík
a neúplně okysličené sloučeniny dusíku (HCN, NH3, N2O).
škodliviny a požadované produkty z úplného spalování: oxidy dusíku (NO, NO2), CO2, H2O.
škodliviny ze stopových prvků nečistot biopaliv: částice prachu (nespalitelné), síra, sloučeniny chloru
a stopové množství kovů (Cu, Pb, Zn, Cd).
Nejpřísněji sledované polutanty jsou karcinogenní látky (SO2 ), látky jedovaté (CO) a plyny podporující skleníkový
efekt (CO2, N2O, CFC (freony), CH4 a stopové plyny HFC, PFC, SF6).
Jak již bylo uvedeno výše, tvorba škodlivin ze spalování pevných biopaliv je závislá na složení paliva a úpravě
spalin, ne už tolik na velikosti nebo technologii spalování (vyjma NOx). Oxidy dusíku také závisejí
na charakteristikách spalování a přítomnosti systému DENOX. V literatuře se uvádí, že u nových spalovacích
zařízeních na biomasy jsou emise NOx mezi 300÷400 mg/mn3 a prachu v rozmezí 10÷50 mg/mn3.
Sloučeniny síry
Oxid siřičitý je bezbarvý plyn, který reaguje na povrchu různých tuhých suspendovaných částic. Snadno
se rozpouští ve vodě a může být oxidován uvnitř vodních kapiček rozptýlených v ovzduší tak způsobovat
tzv. kyselé deště. Avšak síry v biomase je velice malé množství, proto nevznikají emise SO2. Navíc je v palivu
množství vodní páry a vodíku, takže síra se spíše přeměňuje na H2S.
Oxidy uhlíku
Emise oxidů uhlíku jsou závislé především na dokonalosti technologie spalování biomasy. Nezanedbatelným
jevem provázejícím spalování biomasy je relativně dlouhý plamen, který nesmí být ochlazen nikde před
dohořením, protože je tvořený oxidujícím CO. Ten při ochlazení vylučuje čistý uhlík – saze – a tím dochází
k velkým tepelným ztrátám. To platí i pro nedokonalé hoření spalných plynů, kde nespálený oxid uhlíku CO
odnáší do ovzduší značné množství energie a svůj jedovatý obsah. Proto musí být spalovací a dohořívací komory
pro biomasu (hlavně pro dřevo) mnohem větší než u uhlí a do plamenů musí být přiváděný sekundární příp.
i terciální ohřátý vzduch. Na druhou stranu, nízké koncentrace CO2 většinou znamenají příliš velký přebytek
vzduchu, který s sebou přináší více nedostatků. Jednak klesá účinnost, protože přebytečně přiváděný spalovací
vzduch se musí ohřát a tím se ztrácí více tepla komínovou ztrátou. Mimo to velké množství spalovacího vzduchu
vede k ochlazování plamene a tím i k neúplnému spalování a následnému zvýšení emisí celkového uhlíku a CO.
Oxid uhličitý se největší měrou podílí na vzniku skleníkového efektu. Jeho nárůst v ovzduší, což je považováno
za hlavní příčinu globálního oteplování, je způsoben zejména spalováním fosilních paliv a úbytkem lesů. Oproti
tomu lze zastávat tvrzení, že množství CO2 vyprodukované při spalování biomasy bylo rostlinami pohlceno
v době jejich růstu, a proto je celý cyklus v produkci CO2 neutrální.
/22/
Brno 2006
Sloučeniny dusíku
Nejpodstatnější znečištění ze spalování biomasy představují emise NOx (biomasa obsahuje přibližně 0,5÷2 %
palivového dusíku). Sloučeniny NOx vznikají při teplotách 700÷900 °C spalováním dusíku obsaženého v palivu.
Při pálení biomasy vzniká malé množství oxidu dusného (odhaduje se 400 000 t ročně, včetně lesních požárů,
což je asi jen 2 % emisí [4]) dominantním zdrojem produkce N2O je automobilová doprava. Oxid dusný podporuje
skleníkový efekt.
N2O je ovšem ideální případ, na co se dusík obsažený v biomase při spalování může přeměnit. Jinou možností
jsou reaktivní oxidy NOx (NO a NO2), nebo produkty nedokonalého spálení (např. NH3). NO vzniká při teplotách
nad 1000 °C a většina ho oxiduje na NO2. Oxid dusičitý je příčinou tvorby tzv. fotochemického smogu (tvorba
přízemního ozonu), případně se přeměňuje na dusičnany, které způsobují kyselé deště, okyselují půdu, vytvářejí
nadbytek dostupného dusíku v ekosystémech a často jsou masově vyplavovány do podzemních vod.
Kovy
Kovy alkalických zemin - draslík a sodík (v kombinaci s chlorem a sírou) jsou hlavní příčinou vzniku korozí. Tyto
prvky se podílí na vytváření alkalických chloridů, které se mohou usazovat na povrchu výměníků a dalších
zařízení kotle a reagovat se spalinami za vzniku síranu a uvolnění chloru, což výrazně urychluje korozi.
Sloučeniny chloru
Problematika sloučenin chloru při spalování biomasy je důležitá a z hlediska dopadu technologií na životní
prostředí podstatná. Při spalování kulturních obilovin hnojených průmyslovými hnojivy a ošetřovanými pesticidy
a herbicidy se může vyskytnout až 180 mg/m3 HCl. HCl na přehřívácích kotlů působí vysokoteplotní korozi
(nad 550 °C). Další, podstatnější, skupinou vznikajících při spalování chlóru persistentní organické polutanty
(POPs). Jedná se o termín používaný pro skupinu organických sloučenin do které patří:
•
•
•
polychlorované aromatické uhlovodíky – PAH
polychlorované bifenily – PCB
polychlorované dibenzodioxiny a dibenzofurany (PCDD/F)
Polychlorované aromatické uhlovodíky – PAH
Jde o velice širokou skupinu látek vznikajících z organického materiálu paliva a to buď uvolňováním nebo jako
produkty spalování. Nejdůležitější vlastnost PAH je jejich schopnost přetrvávat v prostředí bez degradace, což
v kombinaci s karcinogenností a mutageností je nebezpečné.
PAH vznikají ve dvou krocích. Při spalovacích teplotách okolo 700 °C mohou vznikat nestabilní produkty
(většinou radikály) a ty se pak kombinují za vzniku polyaromatických sloučenin.
Dioxiny
Dioxiny – polychlorované dibenzodioxiny (PCDD) a polychlorované dibenzofurany (PCDF) – se vyskytují
v plynné i pevné fázi, jsou nepatrně rozpustné ve vodě či tucích, lépe pak ve chlorovaných organických
rozpouštědlech. Jsou to mimořádně stabilní látky. V přírodě je rozkládá pouze ultrafialové záření. Hlavní
nebezpečnost dioxinů spočívá v tom, že se v těle kumulují (v tukových tkáních) a tělo je nedokáže vyloučit
či odbourat.
PCDD/F jsou do 900 °C tepelně stabilní a vznikají snadno při zahřívání chlorovaných látek na teploty kolem
300 °C. Hlavní cestou ke vzniku dioxinů je syntéza de-nuovo – což je heterogenní katalytická reakce mezi
kyslíkem, uhlíkem a chlorem při teplotách 300÷325 °C (někdy i v rozsahu 250÷450 °C) [1].
/23/
Brno 2006
Reakční schéma vzniku dioxinů se skládá z těchto jednotlivých kroků [5]:
•
•
•
•
plynný O2 se chemisorbuje na kovový nosič
kyslík je přenesen do volné polohy v uhlíkové struktuře a uhlík je oxidován na plynný produkt
dekompozice struktury uhlíku vede ke vzniku aromatických sloučenin
ty pak procházejí reakcemi vedoucími ke vzniku PCDD/F
V reakčním prostoru pak musí být dostatečné množství chloru a částic uhlíku s vysoce katalytickým aktivním
povrchem. Podle některých studií není při spalovacích procesech patrná závislost mezi množstvím vzniknutých
PCDD/PCDF a PCB (polychlorobenzény) a hladinou chloru v palivu, pokud je chlor zastoupený v množství
menším jak 1 %. Avšak když hladina chloru v palivu přesáhne 1 % byl pozorovaný vzestup vzniku dioxinů [6].
Jiná studie uvádí jako tuto hranici 1,5 %hm [7]. Oproti jiným studiím [1] však nebyl pozorovaný žádný rozdíl
ve vzniku chlorovaných polutantů mezi dvěma rozličnými zdroji chloru (organickým a anorganickým). Daleko
vyšší závislost než na množství je na přítomnosti prvků, které mohou působit jako katalyzátory – především měď.
Tvorba dioxinů je tedy závislá na těchto faktorech:
•
•
•
•
morfologie uhlíku – aktivní koks, neúplná, porušená struktura
katalyzátor – Cu2+, dále pak Fe3+, Zn2+, Pb2+
volný (molekulární) kyslík
chlor
Vlastní syntéza PCDD/F probíhá při teplotách 250÷350 °C při oxidaci částic uhlíku sorbovaných na popílku, dále
je nutná přítomnost kyslíku, vodní páry a chlorovodíku [8].
Druhý způsob je tvorba dioxinů vycházejících z prekurzorů při teplotách 400÷750 °C. Jedná se o katalytickou
reakci probíhající na částicích popílku. Prekurzory jsou v tomto případě míněny látky tvořící základ rostlin
a sloučeniny vznikající při tepelné degradaci biomasy.
Tab. 2 Emise PCDD/F a dalších polutantů při spalování různých biopaliv [9]
Palivo
Smrková štěpka
Topolová štěpka
Pelety z pšeničné slámy
Řezanka z pšeničné slámy
Pelety ze sena
Řezanka ze sena
Pelety z tritikale
Řezanka z tritikale
Pokrutiny ze semene řepky
Cl
HCl
CO
PAH
PCDD
PCBz
PCPh
(mg/kg) (mg/mn3) (mg/mn3) (mg/mn3) (ng/mn3) (ng/mn3) (ng/mn3)
120
16
2056
1500
2890
1681
575
1390
194
0,9
0,13
74
89
173
50
72
45
17
625
2880
733,5
165,5
325,5
534
81,5
461
697
37
74
247
33
69,5
134
105
26
115
0,063
60
0,003
70
1,822
2000
0,631
1300
0,835
600
1,909
2000
0,078
0,082
0,365 230 000
580
220
10 800
3000
2800
32 000
1380
1200
3280
Třetí významný způsob vzniku PCDD/F je homogenními reakcemi v plynné fázi při teplotách nad 600 °C.
Vzhledem ke vlivu vyššího obsahu chloru a také vyššímu podílu polétavého popela jsou emise PCDD/F
z bylinných paliv výrazně vyšší než u dřeva.
Produkce organických znečišťujících látek závisí vždy na způsobu spalování a konstrukci spalovacího zařízení.
Bylo zjištěno, že polychlorované dibenzo-furany jsou ve spalinách zastoupeny téměř při jakémkoli spalovacím
/24/
Brno 2006
režimu, ale jejich koncentrace je stopová, dosahuje řádově jednotek ng/mn3, což je ale několikanásobně více,
než připouští norma pro spalovny odpadů (0,1ng/mn3).
ODSTRAŇOVÁNÍ POLUTANTŮ
Jako nejlepších technologie se pro spalování biomasy se považuje spalování ve fluidním loži, pro dřevo
spalování na roštu chlazeného vzduchem (nízké NOx) s mechanickým pohazovačem a pro slámu pak spalování
na vibračním, vodou chlazeném roštu (z důvodu koroze a spékání).
Pro snižování emisí NOx se využívá standardních primárních a sekundárních opatření jako nízký přebytek
vzduchu (také zvýšení účinnosti, ale vyšší podíl nespáleného popílku), postupné spalování, přivádění přehřátého
vzduchu, recirkulace spalin a selektivní nekatalytická a katalytická redukce (negativum strháváním čpavku –
maximální hodnota 5 mg/mn3). U slámy není možno uplatnit selektivní katalytickou redukci kvůli rychlé
kontaminaci katalyzátoru sloučeninami draslíku. Je-li nutné odstranění SO2 z emisí, používá se injektáž suchého
hydroxidu vápenatého před tkaninový filtr nebo elektrostatický odlučovač. Docela účinná je i injektáž vápence
do topeniště spolu s použitím pračky s oxidem vápenatým. Toto opatření také odstraňuje další škodlivé emise
jako je HCl, avšak zvyšuje emise NOx o 10÷25 mg/mn3.
Pro minimalizaci neúplně spálených látek, jako je oxid uhelnatý, uhlovodíky, dehet, saze a nespálené částice je
nutno zajistit dokonalé spálení dobrým návrhem topeniště, monitorováním a regulací procesu spalování
a údržbou spalovacího systému. Vedle podmínek spalování (vysokými teplotami, dostatkem kyslíku, dobrým
promísením plynu se spalovacím vzduchem), udržuje nízké hladiny CO řádově v mezích 50÷250 mg/mn3 také
správně optimalizovaný systém ke snižování emisí NOx, kdy emise z fluidních kotlů jsou obvykle v nižší hladině
rozmezí, zatímco emise při spalování práškových paliv a při spalování na roštu jsou poněkud vyšší.
Ve spalovacích zařízeních používajících jako paliva slámu, kolísá hladina emisí HCl v rozmezí 50÷300 mg/mn3.
U větších zařízení spalujících slámu se využívají mokré pračky nebo systému rozprašovací sušárny, pokud se
naměřila vyšší množství HCl. Jak systémy mokré metody, tak systémů rozprašovací sušárny snižují HCl (při
účinnosti snížení až 98 %). Emise SO2, které mohou být u surového plynu ze zařízení spalujícího slámu
až 300 mg/mn3, se mohou touto metodou snížit také (s účinností odsíření 80÷95 %). V tomto případě je
související hladina emisí HCl mezi 5 a 25 mg/mn3. Z důvodu tvorby HCl, vede spalování slámy k vysokému riziku
koroze při vysokých teplotách, zejména v oblasti přehříváku.
K teplotní destrukci dioxinů je nutná teplota 1200 °C. Dioxiny mohou vznikat i následnou samovolnou syntézou
ze spalin a to v komíně, nebo dokonce až za ním. Vznik dalších organických látek ve spalinách, zejména
polyaromatických uhlovodíků a sazí lze omezit volbou vhodného spalovacího režimu.
Pro odstraňování těžkých kovů ze spalin při spalování biomasy se využívají tkaninové filtry (menší investiční
náklady) a elektrostatické odlučovače (nižší provozní náklady).
ZÁVĚR
Článek si vytkl za cíl shrnout dosavadní zkušenosti s plynnými emisemi vznikajících při energetickém využití
biomasy, zejména dřevní hmoty a rostlinných odpadů ze zemědělské výroby. Jak ukazuje většina uvedených
poznatků je množství produkovaných emisí závislých především na kvalitě spalovacího procesu, méně pak
na typu paliva. V současné době je pozornost zaměřena hlavně na sledování množství "klasických" polutantů
(SO2,CO, CO2, NOx). V blízké době bude třeba se zaměřit na sledování dalších škodlivých látek, především
persistentních polutantů.
Podstatné snížení těchto emisí bude s největší pravděpodobností možné hlavně úpravou spalovacích podmínek
a konstrukcí spalovacích zařízení. Jako další cesta ke snižování emisí je hledání nových technologií, především
takových, které přináší zjednodušení samotného spalovacího procesu. Jako takovými se jeví rychlá pyrolýza a
zplyňování s následným spalováním vzniklých produktů. Spalování plynných, příp. kapalných, paliv je procesem
daleko méně náročným a konstrukčně jednodušším.
/25/
Brno 2006
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za podpory Grantové agentury České republiky, projekt GAČR 101/03/H064 "Energie
z biomasy"
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Hrdlička, J., Koutský, B., Hrdlička, F.: Problematika tvorby persistentních organických látek při spalování
biomasy. Energie z biomasy, sborník přednášek, Brno, 2003
Demirbas, A.: Potential Applications of Renewable Energy Sources, Biomass Combusion Problems in
Boiler Power Systém a Combusition Related Enviromental Issues. Progress in Energy and Combustion
Science 31 (2005) 171-192.
Kočica, J., Berka, J., Dobrý, J., Grus, J.: Vlastnosti biomasy jako paliva. Lesnická práce [online]. 2004-0315
[cit. 2006-10-20]. Dostupné z www: http//:www.lesprace.silvarium.cz/content/view/398/21/
Procházka, V.: Proč biomasa je i není obnovitelným zdrojem energie. Ekolist.cz [online]. 2004-09-16
[cit. 2006-10-20]. Dostupné z www: http//:www.ekolist.cz/nazor.shtml?x=202250
Koutský, B., Machníková, E., Henkel, M., Dittrich, M., Vošta, J., Koutský, B. : Emise při spalování biomasy.
Biom.cz [online]. 2002-08-07 [cit. 2006-11-01]. Dostupné z WWW: http://biom.cz/index.shtml?x=97816
Wikstrom, E., Lofvenius, G., Rappe, C., Marklund, S.: Influence of level and form of chlorine on the
formation of chlorinated dioxins, dibenzofurans, and benzenes durig combustion of an artificial fuel in a
laboratory reactor. Environ. Sci. Technol. 30 (5) 1996: 1637-1644.
Launhardt, T., Thoma, H.: Investigation on Oraganic Pollutants from a Domestic Heating Systém Using
Solid Biofuels. Chemosphere 40 (2000) 1149-1157
Pokorná, T.: Dioxiny. Časopis The Waste 2/2004 [cit. 2006-10-20]. Dostupné
z www: http://www.waste.cz/waste.php?clanek=2-04/dioxiny.htm
Váňa, J.: Spalování biomasy a tvorba PCDD/F. Biom.cz [online]. 2002-02-21 [cit. 2006-11-01]. Dostupné
z www: <http://biom.cz/index.shtml?x=71291>. ISSN: 1801-2655.
/26/
Brno 2006
OPTIMALIZÁCIA ENERGETICKÝCH NÁROKOV DRVIACICH ZARIADENÍ
Juraj Beniak
Biomasa sa vyskytuje vždy v rozdielnej forme a takisto sú rozdielne požiadavky na jej charakter pred
spracovaním do konečnej podoby (pelety, brikety...). Nikdy sa však nepoužíva v pôvodnej forme, tak ako ju
získame. Vždy je potrebné upravovať túto surovinu na základe konkrétnych požiadaviek. V prvom stupni úpravy
týchto surovín sa takmer vždy používa niektorý zo spôsobov dezintegrácie materiálov, čiže zmenšenie frakcie
a dosiahnutie homogénnejšej štruktúry.
Kľúčové slová: drviaci stroj, drviace zariadenie, drvenie, dezintegrácia
ÚVOD
Skôr ako vôbec začneme získavať energiu z biomasy, každý podnikateľ, každý ekonóm si urobí analýzu
a prepočet nákladov a potenciálneho zisku. A až keď sa ukáže rozdiel týchto čísel je v kladnej rovine, pustíme sa
do realizácie projektu. Z tohto hľadiska je tiež veľmi dôležité preskúmať energetickú bilanciu každého takéhoto
podniku. Nejde tu len o finančné zaťaženie ale aj energetické. Mali by sme vedieť, koľko energie vložíme do
celého procesu spracovania biomasy až po bod, kedy začneme využívať túto biomasu, čiže získavať znovu
energiu späť. Každý ekonóm či podnikateľ mi dá za pravdu, že by bol nezmysel vkladať do procesu spracovania
biomasy viacej energie, ako v konečnom dôsledku môžeme z tejto suroviny vyťažiť.
Na základe tejto úvahy sme dospeli k tomu, že by bolo vhodné minimalizovať všetky energetické výdaje a tým
pádom maximalizovať zisk a efektivitu. Všetky energetické zdroje sú obmedzené a vyčerpateľné, preto by sme
nemali nimi zbytočne mrhať. Preto by mali všetky stroje, ktoré sa zúčastňujú na spracovaní tejto komodity,
pracovať s čím najväčšou efektivitou, nemali by byť predimenzované (nevyužijeme ich kapacitu ale minieme
zbytočne energiu) ale ani poddimenzované (nebudú postačovať naším požiadavkám a požiadavkám výroby).
Ak začneme hneď na začiatku celého tohto procesu spracovania biomasy, zistíme že takmer vždy sa tam
nachádza zariadenie na dezintegráciu. Tieto stroje zabezpečia homogenizáciu a zmenšenie frakcie na
požadovanú. Takto sa spracovávajú rôzne materiály od dreva až po slamu a tak ako je bohaté spektrum
spracovávaných materiálov, tak sú rozdielne aj ich fyzikálne a mechanické vlastnosti. Z toho vyplýva že každý
materiál má iné nároky dezintegráciu, iné parametre tohto procesu. Rozdielne sú otáčky rotorov, geometria
nástrojov, potrebná sila na dezintegráciu, čo v konečnom dôsledku vedie k rozdielnym príkonom pohonom a tým
pádom aj k rozdielnej spotrebe energie. Ceny energii z roka na rok rastú a už nie sú zanedbateľnou položkou
v ekonomike prevádzky. Preto si nemôžeme dovoliť zaradiť do prevádzky hocijaký stroj, ktorý je mnohokrát
predimenzovaný o 100%. Tým pádom sú aj energetické nároky a náklady na jeho prevádzku o 100% vyššie, ako
by mohli byť. Preto sme sa začali na našej katedre zaoberať možnosťami optimalizácie dezintegračného
zariadenia s ohľadom na minimalizáciu silového zaťaženia a tým pádom aj minimalizáciu energetických nárokov.
ENERGETICKÉ NÁKLADY
Z dostupnej literatúry [1] môžeme použiť vzťahy pre výpočet energetických nákladov daného zariadenia,
investičných nákladov a celkových nákladov.
Energetické náklady:
En =
P ⋅ Ce
W
(Sk / kg)
(1)
Ing. Juraj Beniak, Slovenská technická universita v Bratislavě, Katedra výrobnej techniky, [email protected]
/ 27 /
kde:
P
Ce
W
Brno 2006
príkon motora (kW)
cena elektrickej energie (Sk/kWh)
výkon stroja (kg/hod)
Investičné náklady:
Cs
W ⋅H
(Sk / kg)
(2)
Cn = En + In
(Sk/ kg)
(3)
In =
kde:
Cs
H
cena stroja (Sk)
životnosť (hod)
Celkové náklady:
Parametrami ktoré vystupujú vo vzťahu pre energetické náklady je príkon stroja, cena elektrickej energie a výkon
stroja. Cenu energie nevieme ovplyvniť, tá je v našom prípade konštanta. Príkon stroja a výkon stroja sú dva
parametre ktorými vieme meniť energetické náklady. Zámerom všetkých je určite znižovať tieto náklady, preto by
sme mali príkon stroja znižovať a výkon stroja zvyšovať. Z tab. 1 a obr. 1 je vidieť ako sa menia energetické
náklady na prevádzku zariadenia pri náraste príkonu pohonu. Zmena v percentách je vždy vyčíslená v porovnaní
s príkonom 4kW. Znamená to, že ak na prevádzku zariadenia postačuje pohon s príkonom 4kW ale zaradíme
zariadenie s príkonom 5,5kW, energetické náklady stúpnu v tomto prípade o 37,5% čo určite nie je zanedbateľné.
Na potrebný príkon zariadenia majú vplyv viaceré faktory [2]. V nemalej miere sa na tom podieľajú geometrické
parametre dezintegračného zariadenia. Ide predovšetkým o geometriu nástroja a základné rozmery zariadenia.
Po takejto analýze sme dospeli k záveru, že by bolo vhodné sledovať činnosť a zaťaženie dezintegračného
zariadenia, pri ak meníme tieto geometrické parametre, aby sme zistili, aká je optimálna konštrukcia zariadenia
s ohľadom na energetické nároky. Výsledkom je merací stend drviaceho zariadenia, ktorý umožňuje zmenu
otáčok, priemeru rotorov, osovej vzdialenosti rotorov, ale najmä samotnú zmenu geometrie (uhlov) nástroja, ktorý
prichádza priamo do styku s drveným materiálom. Stend drviaceho zariadenia je osadený niekoľkými
piezokeramickými snímačmi. Nachádzajú sa priamo na nástroji (kline) kde merajú jeho deformáciu a na základe
deformácie vieme zistiť silu, ktorá tam pôsobí – silu ktorá je potrebná na drvenie materiálu. Ak meníme geometriu
nástroja a zachováme rovnaký charakter drveného materiálu, viem zistiť aký tvar nástroja je najvhodnejší pre
drvený materiál. Merania môžeme opakovať pre rôzne materiály, pre rôzne podmienky. Na základe výsledkov by
sme mali byť schopný navrhnúť drviace zariadenie pre konkrétne podmienky v konkrétnej situácii. Súčasná prax
je taká, že sa dezintegračné zariadenia navrhujú systémom „pokus – omyl“, čo znamená že sa vyrobí zariadenie,
odskúša sa s daným materiálom a pokiaľ pracuje, uvedie sa do prevádzky. Z tohto dôvodu sú zariadenia mnoho
krát predimenzované.
Tab. 1 Porovnanie zmeny energetických nákladov v závislosti na zmene príkonu zariadenia (výkon stroja a cena
el. energie sú konštantné)
Príkon zariadenia
(kW)
Energetické náklady En
(Sk/kg)
Zmena energ. nákladov
(%)
4,0
5,5
7,5
9,2
11
15
0,22
0,3025
0,4125
0,506
0,605
0,825
0
37,5
87,5
130
175
275
/ 28 /
Brno 2006
Zmena En pri zmene príkonu zariadenia
0,9
300
0,8
250
0,6
200
0,5
150
0,4
0,3
100
Náklady En (Sk/kg)
Zmena En (%)
0,7
0,2
50
0,1
0
0
4
5,5
7,5
9,2
11
15
Príkon zariadenia (kW)
Zmena En (%)
Náklady En (Sk/gk)
Obr. 1 Závislosť zmeny energetických nákladov od zmeny príkonu zariadenia
Rovnakým spôsobom, teda zmenou rozmerových a geometrických parametrov, vieme meniť aj druhý člen
rovnice (1) a tým je výkon stroja W, čiže jeho výkon – výrobnosť (koľko materiálu dokáže spracovať za časovú
jednotku).
Tab. 2 Porovnanie zmeny energetických nákladov v závislosti od zmeny výkonu zariadenia (príkon stroja a cena
el. energie sú konštantné)
Výkon zariadenia
(kg/hod)
Energetické náklady En
(Sk/kg)
Zmena energ. nákladov
(%)
150
140
130
120
110
100
0,14
0,16
0,17
0,18
0,2
0,22
0
7,14
15,38
25
36,36
50
Obe tieto analýzy ukazujú, že zmeny v energetických nákladoch nie sú zanedbateľné, že existuje opodstatnený
dôvod, prečo sa venovať meraniu zaťaženia meracieho stendu drviaceho zariadenia, pri zmene rozmerových
a geometrických parametrov, hlavných častí tohto zariadenia.
/ 29 /
Brno 2006
60
0,25
50
0,2
40
0,15
30
0,1
20
0,05
10
0
Náklady En (Sk/kg)
Zmena En (%)
Zmena En pri zvýšení výkonu zariadenia
0
150
140
130
120
110
100
Zmena En (%)
Výkon zariadenia (kg/hod)
Náklady En (Sk/gk)
Obr. 2 Závislosť zmeny energetických nákladov od zmeny výkonu zariadenia
ZÁVER
Skúšobné meracie zariadenie je vyrobené a vykonané sú prvé skúšky funkčnosti. Skúšobný stend pracuje ako
klasický drviaci stroj, menších rozmerov (skonštruovaný v mierke k zariadeniu DZ 240 – produkčný drviaci stroj
vyvinutý na Katedre výrobnej techniky, SjF STU v Bratislave). Navrhnuté je však tak, aby bolo plne variabilné
a aby umožňovalo merať zaťaženie stroja v závislosti od zmeny rôznych parametrov [2]. V súčasnej dobe sa
osádzajú snímacie časti (meracie prvky) a prebieha ich kalibrácia. Zároveň sa dolaďuje softvér pre zber
a vyhodnocovanie údajov zo snímačov.
POUŽITÁ LITERATÚRA
[1] ŠOOŠ, Ľ., Drevný odpad... Čo s ním?, Energetické centrum Bratislava, s. 31-32, 2000.
[2] BENIAK, J.: Dôležitosť konštrukčných parametrov drviaceho zariadenia, In.: Zborník z medzinárodnej
konferencie TOP 2005, 29.6-1.7.2005, Častá-Papiernička, ISBN 80-227-2249-9, s. 265-271.
/ 30 /
Brno 2006
POTENCIÁL BIOMASY V MORAVSKOSLEZSKÉM REGIONU ČÁST PROJEKTU ŘEŠENÉHO V RÁMCI PROGRAMU INTERREG IIIA
Michal Branc
Cílem příspěvku je seznámit účastníky semináře o projektu „MOŽNOSTI LOKÁLNÍHO VYTÁPĚNÍ
A VÝROBY ELEKTŘINY Z BIOMAS“, který v současnosti probíhá na Výzkumném energetickém centru
VŠB-TU Ostrava. Příspěvek se zmiňuje o programu INTERREG IIIA a podrobněji se věnuje části studie
věnované potenciálu biomasy v Moravskoslezském kraji.
Klíčová slova: potenciál biomasy, INETRREG IIIA
ÚVOD
V České republice byla v roce 2004 schválena Státní energetická koncepce ČR do roku 2030, ve které se
předpokládá nárůst podílu OZE při zajišťování spotřeby energie až na úroveň 14-15% v roce 2030. Vzhledem
k tomu, že současný podíl všech obnovitelných zdrojů činí zhruba 3,5% a z toho asi 1,3% již kapacitně vyčerpané
vodní elektrárny, nebude dosažení podílu 10% již v roce 2010 snadnou záležitostí.
Je tedy pravděpodobné, že nás čeká intenzivní rozvoj obnovitelných zdrojů energie (OZE). V horských a
podhorských krajích se bude jednat pravděpodobně o biomasu, která má největší energetický potenciál. Je
očekáván rozvoj pěstování energetických plodin. Zájem bude soustředěn zejména do oblasti malých výkonů
v desítkách až stovkách kW.
Existují potenciální zájemci o využití biomasy na vytápění, avšak díky neexistenci informací o využitelném
potenciálu biomasy, technologických, pěstebních a legislativních podmínkách zatím nedochází k jejímu většímu
rozšiřování, i když zvyšující se ceny plynu situaci částečně mění, bohužel spíše směrem k využití uhlí ve starých
ekologicky nevyhovujících zařízeních než do oblasti využití ekologické biomasy v moderních jednotkách. Změně
tohoto stavu by mohl napomoci níže představený projekt.
O PROJEKTU
V současné době je na Výzkumném energetickém centru Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava
řešeno několik projektů týkajících se biomasy. Jedním z projektů je projekt „MOŽNOSTI LOKÁLNÍHO VYTÁPĚNÍ
A VÝROBY ELEKTŘINY Z BIOMASY“, který bude přispívat ke zvýšení informovanosti státní správy,
podnikatelské sféry a širokých vrstev obyvatelstva o reálných možnostech využití biomasy pro vytápění a výrobu
elektrické energie.
Projekt je řešen v rámci programu Evropské Unie nazvaného INTERREG IIIA.
INTERREG patří mezi tzv. Iniciativy Evropských společenství. Iniciativy Společenství jsou programy navržené
Evropskou komisí s cílem najít společná řešení problémů, které se dotýkají všech členských států. Iniciativa
INTERREG byla založena v roce 1990. Cílem INTERREG byla od počátku podpora hospodářské a sociální
integrace zejména sousedících regionů. V druhém programovém období 1994 – 1999 byl velký důraz kladen na
rozvoj přeshraniční spolupráce, a to nejen mezi sousedícími regiony uvnitř EU, ale i v kandidátských zemích.
Pro programové období 2000 – 2006 se Iniciativa Společenství INTERREG IIIA zaměřuje na tři následující oblasti
podpory:
•
•
•
INTERREG IIIA – podporující přeshraniční spolupráci sousedících regionů (s 67 % alokací z celkových
prostředků),
INTERREG IIIB – podporující nadnárodní spolupráci (s 27% alokací),
INTERREG IIIC – podporující meziregionální spolupráci (s 6% alokací)
Ing. Michal Branc, VŠB-TU Ostrava, VEC, 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, [email protected]
/ 31 /
Brno 2006
Území určené pro dotační podporu z Iniciativy Společenství INTERREG IIIA v česko-slovenském příhraničí je
tvořeno 6 samosprávními kraji ležícími v blízkosti společné hranice. V ČR jsou to kraje Moravskoslezský, Zlínský
a Jihomoravský, v SR Žilinský, Trenčínský a Trnavský kraj. Podobně jako se Slovenskem probíhá program i
s ostatními okolními státy a spolkovými zeměmi.
Prezentovaný projekt působí pouze ve čtyřech krajích, a to v kraji Moravskoslezském a Zlínském na české straně
hranice a Žilinském a Trenčianském na slovenské straně hranice.
Obr. 1 Územní působnost Iniciativy INTERREG IIIA pro ČR a SR
CÍLE PROGRAMU
Cílem Iniciativy Společenství INTERREG IIIA je podpora přeshraniční spolupráce mezi příhraničními oblastmi,
které jsou znevýhodněny izolací příhraničních komunit od svých přirozených sousedů na druhé straně hranice a
zároveň okrajovým postavením území v rámci svých vlastních státních hranic a politik.
Jednotlivé programy se zaměřují zejména na podporu rozvoje měst a venkova, nepřímou podporu podnikání a
rozvoje malých a středních firem, hospodářskou spolupráci a rozvoj hospodářského sektoru, rozvoj cestovního
ruchu a turistiky, podporu integrace trhu práce a sociálního zařazení, rozvoj lidských zdrojů, technologický rozvoj,
vzdělávání, na kulturu, vědu a zdravotnictví s cílem zvýšit produktivitu a pomáhat při vytváření udržitelných
pracovních příležitostí, ochranu přírody a životního prostředí, podporu obnovitelných zdrojů energie, rozvoj
dopravy a regionálních informačních a komunikačních sítí a podporu malých místních iniciativ.
Program je řešen dvěmi subjekty, jedním z České Republiky a jedním ze Slovenska.
VŠB - Technická univerzita Ostrava
Výzkumné energetické centrum
Žilinská univerzita v Žiline
Katedra energetické techniky
/ 32 /
Brno 2006
Cílem projektu je napomoci zvýšení využívání obnovitelných zdrojů energie – biomasy, která má v daných
regionech největší potenciál. Dalším cílem je podpora moderních topných zařízení využívajících obnovitelné
zdroje energie. Náhrada starších energetických zařízení využívajících fosilní paliva těmito zdroji by přinesla jak
ekologická, tak socioekonomický užitek.
Projekt se cíleně zaměřuje na určité skupiny, pro které může být biomasa zajímavá z různých pohledů. Jedním
z cílů je rozšíření znalosti o reálných možnostech využití biomasy mezi široký okruh obyvatelstva. Dalším cílem
projektu je pomoci státní správě – obcím v dotčeném regionu, které disponují dostatečnými zásobami energeticky
využitelné biomasy nebo volných zemědělských ploch, s využitím tohoto cenného ekologického zdroje energie.
Skupinou, která disponuje energeticky využitelným odpadem, jsou drobní podnikatelé a živnostníci, kteří tuto
biomasu dosud nevyužívají. Projekt se také zaměřuje na podporu výroby elektrické energie z biomasy.
Uvedené cíle budou naplňovány těmito aktivitami:
a) Zřízení Konzultačního centra BIOMASA na půdě VŠB-TUO – bude poskytovat tyto bezplatné služby:
odborné konzultace, informace o druzích, vlastnostech a dostupnosti paliv na bázi biomasy, doporučení
nejvhodnější technologie pro připravovaný realizační projekt, udržování aktuální databáze výrobců a distributorů
různých druhů biopaliv, udržování aktuální databáze dodavatelů technologií z ČR a ze zahraničí, poskytování
informačních materiálů.
b) Uspořádání dvou seminářů
c) Vypracování studií
•
•
•
•
Technické prostředky pro přípravu a využití biomasy jako paliva
Ekonomika při energetickém využití biomasy
Potenciál biomasy, druhy, bilance a vlastnosti paliv z biomasy
Ekologické aspekty záměny fosilních paliv za biomasu
d) Vypracování tématicky orientovaných metodických příruček
Průběžná aktualizace údajů uvedených ve studiích
e) Vypracování informačních listů o různých druzích biomasy
Vlastnosti a možnosti využití jednotlivých druhů biomasy budou zpracovány do samostatných karet a budou
bezplatně k dispozici při konzultacích v centrech.
f) Uspořádání tématických dnů „Dny biomasy“ (4 dny celkem)
Demonstrační ukázky spalování a zplyňování různých druhů biomasy za použití různých technologií včetně
besedy za účasti externích odborníků
g) Zřízení internetového portálu (www .biomasa-info.cz)
Informace o aktivitách a výstupech projektu (volně ke stažení), kontakty na konzultační centra, informace o
výrobcích a distributorech paliv a výrobců spalovacích zařízení na biomasu.
POTENCIÁL BIOMASY V REGIONU MORAVSKOSLEZSKÉM
Část studie nazvaná „Potenciál biomasy, druhy, bilance a vlastnosti paliv z biomasy “ se věnuje mimo popisy
druhů biomasy, jejich vlastností a možnosti jejich rozšíření i potenciálem biomasy v jednotlivých regionech
zapojených do projektu.
/ 33 /
Brno 2006
Hlavním zdrojem informací o potenciálu biomasy v Moravskoslezském kraji je Územní energetická koncepce,
která je jedním z podkladů studie. Pro potřeby této studie byly shromážděny údaje o disponibilitě energetických
systémů, dostupném energetickém potenciálu biomasy, hodnocení využitelnosti obnovitelných zdrojů energie a
opatření k využití obnovitelných zdrojů energie v regionu.
V regionu se nachází velké zdroje jak elektrické tak tepelné energie pro hutní a strojní podniky a pro zásobování
obyvatelstva. V regionu se nachází černouhelná elektrárna Dětmarovice o instalovaném výkonu 800 MWe, dále
velké hutní podniky jako jsou Vítkovice, Mittal Steel, ŽD Bohumín a Třinecké Železárny.
Velkému množství velkých zdrojů odpovídá i skladba spotřeby primárních zdrojů energie (PEZ). Téměř 31% PEZ
je spotřebováno ve spotřebičích o výkonu nad 5 MW, jak ukazuje Obr. 2.
Spotřebiče s výkonem nad 3 MW spalují téměř výhradně černé uhlí nebo koks, naopak spotřebiče s výkonem do
3 MW jsou v drtivé většině spotřebiče na zemní plyn, jak ukazuje Obr. 3. Biomasa nehraje významnou roli ani
v jedné výkonové kategorii.
Obr. 2 Struktura spotřeby PEZ v jednotlivých zdrojích energie
Obr. 3 Struktura PEZ užitých ve zdrojích o výkonu 0,2-3 MW (vlevo) a nad 5 MW (vpravo)
/ 34 /
Brno 2006
Dostupná velikost potenciálu obnovitelných zdrojů energie (při zachování určitého realistického pohledu na
aplikační možnosti využití) je odhadována podle Územní energetické koncepce pro biomasu tak, jak je uvedeno
v Tab. 1.
Tab. 1 Odhad dostupného potenciálu biomasy pro MS kraj
Druh OZE
Dřevní hmota
Sláma z obilovin
Energetické rostliny
Bioplyn
Celkem
Množství/rok
310 tis. t.
226 tis. t.
11 tis. ha
102.106m3
Energetický potenciál
4030 TJ
3140 TJ
3360 TJ
2200 TJ
12730 TJ
Závěry ve věci dostupnosti biomasy v Moravskoslezském kraji lze formulovat takto:
•
•
•
•
Využití biomasy je účelné realizovat v blízkosti pěstování a sběru biomasy.
Využití biomasy je určeno kapacitou dostupných ploch pro pěstování energetických rostlin, obilovin či
dřevin. V regionu se nachází velké plochy rekultivované po důlní činnosti vhodné pro toto využití.
V případě dřeva je využití dáno rozsahem těžby. Využití lesního odpadu není ve větší míře možné.
Další podmínkou je zavedení účelové technologie zpracování biomasy na palivo a zajištění logistiky.
Nedá se říct, že je výhodné zaměnit veškeré stávající zdroje zdroji využívajícími biomasu. O vhodnosti rozhodují
ekonomické a ekologické aspekty.
•
•
Účelná je substituce zařízení spalující černé a hnědé uhlí všech výkonů, dosluhujících zařízení spalující
kapalná paliva. U malých zdrojů se jedná především o ekonomický pohled u větších zdrojů i o
ekologický efekt využívání biomasy.
Naopak není vhodná substituce zařízení plynových a dodávkového tepla ze systému CZT, ve kterém se
zpravidla uplatňuje kogenerace.
Při aplikaci využití obnovitelných zdrojů energie (biomasy) je třeba splnit jisté nutné podmínky týkající se
informovanosti a motivace pěstitelů i spotřebitelů, dále podmínky týkající se technologií úpravy a využívání
biomasy a trhu s palivy a také stability a ekonomické výhodnosti vytvořeného systému.
Z celkového dostupného potenciálu je reálný potenciál mnohem menší. Velikost reálného potenciálu je dána
mnoha aspekty vývoje ekonomiky, těžby, průmyslu, zemědělství apod.
a) dřevo - U dřeva lze vzhledem k růstu kapacit na zpracování dřeva i z mimokrajských zdrojů a k nárůstu
zásoby dřevní hmoty použít až 80 % celkového potenciálu, kde největší potenciál mají NUTS Bruntál a
Frýdek-Místek (celkem 70 % podíl).
b) obiloviny - Trendy ve využití slámy v zemědělství dovolují využít 50 % celkového potenciálu, kde největší
potenciál mají NUTS Nový Jičín a Opava, a to v řepkové a pšeničné slámě.
c) Rychlerostoucí energetické plodiny - Počítá se s využitím na 18 032 ha. Průměrný výnos energ. plodin
(v sušině) lze na základě zkušeností stanovit na 10 t/ha, energetickou výhřevnost pak na 15 GJ.t-1. Reálný
potenciál pak vychází ze součinu těchto veličin (18 032 ha x 10 t/ha x 15 GJ.t-1) na 2 704 800 GJ/rok, kde největší
potenciál mají NUTS Karviná (cca 60% z výsledné hodnoty) a Frýdek-Místek.
d) Spalitelný bioodpad – Jeho množství se odhaduje na 37 000 t čemuž odpovídá potenciál 629 000 GJ/rok.
Celkový využitelný potenciál biomasy (suché) pro spalování tedy činí 8 127 820 GJ/rok.
/ 35 /
Brno 2006
e) Bioplyn - U bioplynu se potenciál skládá z několika dílčích potenciálů. Jednak je to potenciál bioplynu
vyrobeného z odpadů hosp. zvířat, který činí při 50 % využití 506 470 GJ/rok, dále je to produkce bioplynu
z kofermentace zelené hmoty, jehož potenciál se odhaduje na 580 500 GJ/rok, a nakonec bioplyn vyrobený ze
separovaného biologicky rozložitelného odpadu, který představuje 357 970 GJ/rok ( celkem 1 593 195 GJ/rok).
Tab. 2 Reálný potenciál biomasy v Moravskoslezském kraji
Druh biomasy
Dřevo
Obiloviny
Rychlerostoucí rostliny
Bioodpad
Bioplyn
Celkem
Dostupný potenciál
GJ/rok
4 030 000
3 140 000
3 360 000
740 000
2 200 000
13 470 000
Využití
%
80
50
80
85
70
72
Reálný potenciál
GJ/rok
3 226 860
1 567 160
2 704 800
629 000
1 593 195
9 721 015
ZÁVĚR
Odhadovaný potenciál představuje podíl asi 84 % z OZE a celkový podíl OZE pak 8 % z PEZ, což ale stále řadí
Moravskoslezský region mezi regiony s nižším využitím obnovitelných zdrojů. Přesto se objevuji názory, že
odhady jsou nepřesné a skutečný potenciál biomasy je nižší než uvádí odhad Územní energetické koncepce.
Právě proto je jednou z podstatných aktivit prezentovaného projektu i průběžná aktualizace údajů uvedených ve
veřejně dostupných informačních zdrojích a jejich zveřejňování v metodických příručkách a studiích.
Reálné podklady projektů jsou základními kameny úspěchu projektů, což bezezbytku platí i v oblasti
energetického využívání biomasy. Neustále je třeba dívat se na odhady potenciálů biomasy s jistou mírou
nedůvěry a v zájmu biomasy tyto údaje upřesňovat.
[1] Kolektiv autorů (2006): Sborník příspěvků I. semináře Biomasa jako zdroj energie. VŠB-TU Ostrava,
Ostrava, 124 s., ISBN 801-248-1182-0
[2] Ochodek T., Koloničný J., Janásek P.(2006):Studie „Potenciál biomasy, druhy, bilance a vlastnosti paliv
z biomasy ”. VŠB-TU Ostrava, Ostrava, 124 s., ISBN 80-248-1207-X
[3] http://www.strukturalni-fondy.cz
/ 36 /
Brno 2006
ZÍSKÁVÁNÍ VODÍKU Z OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ
Eva Brandejská, Ondřej Prokeš, Daniel Tenkrát
Příspěvek je věnován výrobě vodíku s důrazem na obnovitelné zdroje. Fosilní zdroje energie sice poskytují
dostatečné množství vodíku, ale cílem je právě v budoucnu eliminovat závislost lidstva na fosilních energetických
zdrojích (uhlí, ropa, zemní plyn). Z tohoto důvodu se obracíme právě na obnovitelné zdroje surovin, které
poskytují dostatečně velkou základnu pro získání vodíku. Většina uvedených metod v příspěvku je stále ve fázi
vývoje a výzkumu. Proto cena takto vyrobeného vodíku je stále vysoká a několikanásobně převyšuje cenu
ostatních nosičů energie.
Klíčová slova: metody výroby vodíku
ÚVOD
Díky zvýšení počtu lidí v populaci a rapidnímu ekonomickému růstu některých zemí světa se stále zvyšují nároky
na množství energie. Očekává se, že těžba fosilních paliv (zejména ropy a zemního plynu) klesne a jejich ceny
porostou. Z hlediska udržitelného rozvoje je třeba více pozornosti zaměřit na alternativní zdroje energie, zvláště
pak zdroje obnovitelné. Jako velmi perspektivní se ukazuje využití vodíku. Vodíku je proto v dnešní době
věnována velmi výrazná pozornost. Stává se předmětem zájmu mnoha koncernů a světových společností.
Spotřeba vodíku stále vzrůstá, během několika příštích let se očekává nárůst až o 10 % ročně. V současné době
je roční spotřeba vodíku téměř 50 mld tun. Z toho 73 % připadá na chemickou výrobu amoniaku a methanolu.
Více než 24 % je využito v rafinérském průmyslu, kde je vodík používán k odstranění síry z produktů v procesu
hydrodesulfurizace a při hydrokrakování. Díky rostoucímu tlaku na ochranu životního prostředí, roste i tento podíl
spotřeby. Menší část vodíku je využívána i v dalších odvětvích průmyslu např. v metalurgickém, elektronickém,
farmaceutickém a potravinářském průmyslu.
V posledních letech roste zájem o vodík i v automobilovém průmyslu, kde slouží jako nosič energie, zejména ve
spojení s palivovými články nebo k modifikaci spalovacích procesů. V budoucnu se počítá s využitím vodíku také
jako pohonu do mobilních zařízení, jako jsou notebooky, mobilní telefony apod., ale také k výrobě tepla a
elektrické energie.
Předností vodíku je mnoho. Vodík je nejrozšířenějším prvkem na Zemi, je vázán v mnoha sloučeninách,
neomezené množství je ho obsaženo ve vodě, je také základem veškerých organických látek, a především je
obsažen ve všech uhlovodíkových palivech, která se používají. Vodík má vysokou hustotu energie (vztaženo na
jednotku hmotnosti) a dá se transportovat i skladovat. Při použití vodíku jako paliva je jeho hlavní výhodou čistota
spalování. Pokud se vodík použije v motorech s vnitřním spalováním nebo v palivových článcích, vznikne
tepelná, mechanická či elektrická energie a neškodný produkt – voda. Nevznikne odpadní CO2 ani další složky,
které jsou průvodním jevem při spalování jakékoliv tuhého, kapalného nebo plynného uhlovodíkového paliva. CO2
je hlavní složkou skleníkových plynů a vodíková energetiky by především měla omezit jejich tvorbu.
Problémem zůstávají oxidy dusíku vznikající ve spalovacím prostoru vodíkového motoru. Jejich množství závisí
na přebytku kyslíku, teplotě, tlaku a době zdržení spalin při vysokých teplotách ve spalovacím prostoru.
VÝROBA VODÍKU
V současné době se zhruba 90 % vodíku vyrábí parním reformingem. Důvodem je vysoká efektivita procesu a
nízké provozní a výrobní náklady. Nejčastější surovinou pro parní reforming je zemní plyn. Dalším postupem
výroby vodíku je proces parciální oxidace ropných frakcí. Vodík je možné vyrábět také z uhlí nebo koksu
procesem zplyňování.
Ing. Eva Brandejská; Ústav plynárenství, koks. a ochrany ovzduší, Technická 5, 166 28 Praha, [email protected] / 37 /
Brno 2006
Elektrolýza vody
Jednodušší a účinnější metodou je elektrolýza vody. Je to proces, kdy je voda pomocí dodané elektrické energie
štěpena na vodík a kyslík podle následující reakce
1
H 2 O → H 2 + O2
2
Požadovaná elektrická energie je závislá na reakční entalpii, reakční entropii a na teplotě. Literatura uvádí 1,229
V jako ideální napětí potřebné pro (vratné) štěpení. Teplo je také nezbytné pro účinnost elektrolyzéru. Je-li
energie dodávaná v elektrické formě, je nutné zvýšit teoretický potenciál o 0,252 V. Probíhá-li na elektrodách
reakční mechanismus nevratně, rozkladné napětí musí být vždy větší. Přebytek napětí by měl být minimalizován,
aby byl elektrolyzér co nejúčinnější. Typické napětí článku je od 1,85 do 2,05 V.
Princip elektrolýzy je následující: dvě molekuly vody jsou redukovány na katodě na jednu molekulu vodíku a dva
hydroxylové ionty. Následně ionty migrují podle toku elektrického pole k propustné membráně na anodu, kde jsou
vypuštěny jako ½ molekuly kyslíku a jedna molekula vody. Kyslík a vodík odcházejí z elektrod jako plyny.
Účinnost procesu je obvykle vysoká (kolem 85 %) a je možné ji zvýšit přídavkem elektrolytu (např. soli), který
zvýší vodivost vody. Ve srovnání s ostatními metodami výroby vodíku je elektrolýza nákladnější technologií, její
cena je závislá na dostupnosti levného zdroje energie.
Průmyslová výroba upřednostňuje alkalické roztoky, nejčastěji 25 % roztok KOH, protože umožňují snadnější
kontrolu koroze a jsou levnější. Tento proces je technologicky vyspělý už několik desetiletí.
Chloralkalická elektrolýza vody je komerčně prováděna pouze ve velkém měřítku, vodík zde vzniká jako vedlejší
produkt při výrobě chloru a je často spotřebováván jako zdroj energie v závodě, kde byl vyroben.
Roztok soli a vody je elektrolyticky rozložen na vodu, hydroxid sodný (na katodě) a chlór (na anodě) podle
rovnice
2 NaCl + 2 H 2 O → 2 NaOH + H 2 + Cl 2
Stejným procesem, při kterém vzniká vodík jako vedlejší produkt, probíhá i při rozkladu HCl nebo HF.
Další alternativou je vysokotlaká elektrolýza. Výroba kyslíku a vodíku při tlaku od 0,6 do 20 MPa má několik
výhod (menší výrobní zařízení, snížení spotřeby elektrické energie až o 20 %, snížení ztráty napětí apod.). Pro
pozdější skladování vysokotlakého vodíku, není potřeba první pístová komprese. Hlavní nevýhodou je cenově
nákladná konstrukce tlakového zařízení.
Elektrolýza vody s použitím pevného elektrolytu je považována za velmi nadějnou metodu, protože může
pracovat s vysokou proudovou hustotou díky velkému snížení objemu v porovnání s KOH elektrolytem. Proces je
založený na využití protonově vodivé membrány ze sulfonových kyselin (např. Nafion) s tloušťkou desetiny
milimetru, která působí jako kyselina a zároveň jako dělící stěna. V těchto elektrolyzérech se používá pouze čistá
voda. Systém má několik výhod, elektrolytický článek je pevnější, konstrukce a činnost elektrolyzéru je
jednoduchá a nejsou zde žádné problémy s korozí.
/ 38 /
Brno 2006
Fotoelektrochemické metody získávání vodíku
Fotoelektrochemický (PEC) systém je založený na kombinaci využití sluneční energie ve fotovoltaickém článku a
elektrolýzy vody.
Fotovoltaický systém je založený na principu, který umožňuje přímou přeměnu energie slunečního záření na
energii elektrickou pomocí fotoelektrického jevu.
Aby PV článek sloužil jako zdroj proudu, musí v něm nastat rozdělení elektronů a děr. Fotovoltaický článek není
homogenní polovodič, ale skládá se z části mající elektronovou vodivost (materiál typu n, například křemík
s příměsí fosforu) a části mající děrovou vodivost (materiál typu p, například křemík s příměsí boru).
Při fotoefektu, který se odehrává na p-n přechodu, působí na fotonem vybuzený elektron i na místo, které po něm
zůstane, elektrické pole a částice se pohybují k elektricky opačně nabitému prostředí a začne probíhat elektrický
proud, úměrný počtu absorbovaných elektrických kvant. Mezi oběma částmi polovodiče naměříme elektrické
napětí, které však je velmi malé, většinou méně než 1 V. Z toho důvodu se fotovoltaické články řadí za sebou do
větších souborů. Výkon solárního článku se vypočítá jako součin proudu a napětí a závisí na různých vlivech,
jako například intenzitě ozáření, teplotě článku a spektru světla. Typické solární články o velikosti 10 x 10 cm
vytvářejí proud o velikosti 3 - 6 A při napětí 0,5 V dosahují výkonu 1,5 - 3 W.
Jako materiál fotovoltaických článků se nejčastěji využívají následující tři typy. Křemík (Si) - dnes nejvíce
používaný materiál pro výrobu solárních článků. V podstatě se dělí na dva druhy - polykrystalický křemík - vhodný
pro menší výkony, hlavní výhodou je snadná dostupnost, poměrně dobrá účinnost i při nižších hladinách
osvětlení a monokrastalický křemík - vhodný pro větší výkony, při dostatečném osvětlení vyšší mají články
účinnost než při použití polykrystalického křemíku. Článek z monokrystalického křemíku o ploše 100 cm2 je
schopen dodávat proud 3 až 4 A. Čistý křemík je však velmi drahý, což právě způsobuje výsledné vysoké ceny
článků. Naopak levnější méně čistý křemík má zase nevhodné vlastnosti a hlavně výrazně nižší účinnost
přeměny záření na elektrickou energii. V současné době se již objevili postupy, jak i špinavý křemík v solárních
článcích využít.
Arsenid galia (GaAs, příp. GaAs/Ge) - Hlavní výhodou je vyšší účinnost – 20 %, větší odolnost proti kosmickému
(tvrdému) záření a schopnost pracovat bez snížení efektivity i při teplotách nad 100 °C. Mezi nevýhody patří
mnohem vyšší cena a větší hustota GaAs oproti krystalickému křemíku.
Sulfid kademnatý (CdS) - články tvořené přechodem Cu2S a CdS - dosahují účinnosti 10 %. Jejich výhodou je
malá hmotnost, díky čemu se používaly při kosmických aplikacích. nevýhodou je malá stabilita těchto článků a
dnes se již nepoužívají. Pokročilejší variantou tohoto historicky nejstaršího typu článků jsou kombinace sulfidu
kademnatého s teluridem kademnatým (systém CdS - CdTe) - články vyhovují jen pro napájení zařízení s malým
příkonem a proto se nevyužívají v energetice.
Mimo uvedené "klasické" struktury a materiály se již objevují technologie tzv. Thin-film solárních článků, ty by
měli v budoucnu zastínit všechny dosud používané typy, ale zatím se vědci a technici stále ještě potýkají s nízkou
odolností a životností. Jejich výroba by zatím byla několikanásobně dražší než u klasických solárních článků, což
je pro komerční firmy zatím nevhodné.
Fotoelektrochemický (PEC) systém je složený z fotovoltaického článku a Pt elektrody, které jsou ponořeny
v roztoku elektrolytu. Polovodič absorbuje sluneční energii, vytváří směr a řídí elektrolytickou reakci s produkcí
vodíku na polovodičové elektrodě a kyslíku na kovové elektrodě. Pro takový průběh je potřeba pásmový odstup
mezi 1,6 – 2,2 eV a hranice pásma musí překrývat redoxní potenciál vody.
Pro přímí PEC rozklad vody je třeba několik klíčových kritérií, PV článek musí vyrábět dostatečné napětí ke
štěpení vody, musí být stabilní v roztoku elektrolytu a jeho povrch musí odolávat korozi, redukovat energii v
případě přepětí a náboj se musí rychle přemístit z povrchu elektrody do vody.
/ 39 /
Brno 2006
Vhodné materiály pro PEC systém jsou nitridy galia, které jsou dražší, ale chemicky stabilní a mají vysokou
účinnost. Amorfní křemík je méně nákladnou variantou, ale při jeho používání se objevily problémy s jeho
stabilitou v roztoku a korozní odolností. Další možností je využít měď-galium-indium diselenidu.
Fotoelektrochemický systém pracuje s účinností okolo 10 %.
Získávání vodíku z biomasy
Dalším obnovitelným zdrojem s velkým potenciálem je biomasa, ze které lze vodík získat termickou (zplyňování,
pyrolýza) i biologickou (fermentace, anaerobní a metabolické procesy) cestou.
Zplyňování biomasy
Pro zplynění biomasy jsou v současné době používáno mnoho technologií. Jednou ze základních metod je
zplyňování v generátorech s pevným ložem. Tento způsob je méně investičně náročný, avšak je použitelná jen
pro malé tepelné výkony. Zplyňování probíhá při nižších teplotách (kolem 500 °C) a za atmosférického tlaku ve
vrstvě biomasy. Vzduch jako okysličovací médium proudí bud' v souproudu (směr dolů) nebo v protiproudu
(směrem nahoru) vzhledem k postupnému pohybu zplyňovaného biopaliva. Popelové zbytky se odvádějí ze
spodní části reaktoru. Nevýhodou tohoto systému je značná tvorba dehtových látek, fenolů apod., jejichž
odstranění představuje největším problém:
Při zplyňování ve fluidních generátorech probíhá zplyňovací proces při teplotách 850 až 950 °C a to při
atmosférickém tlaku, nebo v tlakových generátorech při tlaku 1,5 až 2,5 MPa.
Oba způsoby mají své výhody a nevýhody. Tlakové zplyňování biomasy vycházelo bezprostředně z vývoje
zplyňovacích technologií uhlí, v nichž byly z mnoha důvodů používány výlučně tlakové generátory. Obecně menší
jednotkové výkony zařízení s biomasou a její specifické vlastnosti vedou k tomu, že v současné době je dávána
přednost systémům s atmosférickým zplyňováním. Zplyňování probíhá podle následujících reakce, která je
doplněna konverzí CO.
C 6 H 12O 6 + O 2 → CO + H 2 + CO 2
CO + H 2O → CO 2 + H 2
Pyrolýza
Pyrolýza je fyzikálně – chemický děj, při kterém probíhá rozklad organických materiálů za nepřístupu médií
obsahujících kyslík. Podstatou pyrolýzy je ohřev materiálu nad mez termické stability přítomných organických
sloučenin, což vede k jejich štěpení až na stálé nízkomolekulární produkty a tuhý zbytek. Z technologického
hlediska lze pyrolýzní procesy dále rozdělit dle dosahované teploty na nízkoteplotní (< 500 °C), středněteplotní
(500 – 800 °C), vysokoteplotní (> 800 °C).
V závislosti na dosažené teplotě, lze při pyrolytickém procesu pozorovat řadu dějů, které je možné pro
jednoduchost rozdělit do 3 teplotních intervalů. V oblasti teplot do 200 °C dochází k sušení a tvorbě vodní páry
fyzikálním odštěpením vody. Tyto procesy jsou silně endotermické. V rozmezí teplot 200 až 500 °C probíhá
karbonizace. Zde nastává ve značné míře odštěpení bočních řetězců z vysokomolekulárních organických látek a
přeměna makromolekulárních struktur na plynné a kapalné organické produkty a pevný pyrolyzní zbytek. Ve fázi
tvorby plynu v oblasti teplot 500 až 1200 °C jsou primární produkty vzniklé karbonizací dále štěpeny a
transformovány. Přitom jak z pevného pyrolyzního zbytku, tak i z kapalných organických látek vznikají stabilní
plyny, jako je H2, CO, CO2, CH4, H2S a H2O.
/ 40 /
Brno 2006
Příklad některých reakcí probíhající při pyrolýze (všechny uvedené reakce jsou endotermní):
CnHm → xCH 4 + yH 2 + zC
CH 4 + H 2O ↔ CO + 3H 2
C + H 2O ↔ CO + H 2
C + CO 2 ↔ 2CO
Rychlá pyrolýza
Rychlá pyrolýza je v současné době považována za jeden z vysoce progresivních procesů ve skupině
technologií, které mění biomasu ve formě dřeva a jiných odpadních materiálů na produkty vyšší energetické
úrovně, jako jsou plyny, kapaliny a pevné látky. Správný průběh pyrolýzního procesuje je dán extrémně rychlým
přívodem tepla do suroviny, udržováním potřebné teploty, krátkou dobou pobytu par v reakční zóně a co
nejrychlejším ochlazením vzniklého produktu. Primárním energetickým produktem je kapalina - bio-olej, kterou
lze snadno skladovat, přepravovat, ale také využívat jako obnovitelný zdroj vodíku. Proces výroby vodíku parním
reformingem oleje probíhá při teplotě 750 – 850 °C s použitím Ni nebo Ni – Al katalyzátorů a lze ho popsat
následujícími reakcemi:
bio − olej + H 2O → CO + H 2
CO + H 2O → CO 2 + H 2
Biologické způsoby výroby vodíku
Vodík lze vyrábět parním reformingem z ethanolu, který je produktem fermentace biomasy.
Fermentace (kvašení) je přeměna látky za účasti enzymů mikroorganismů (působících jako katalyzátory), při
němž probíhají v důsledku metabolické aktivity mikroorganismů chemické přeměny organických látek, obvykle
sacharidů a vznikají látky energeticky chudší (ethanol a oxid uhličitý). Nejvhodnější surovinou jsou např.
brambory nebo cukrová třtina. Kvasný proces probíhá podle rovnice:
C 6 H 12O 6 → 2C 2 H 5OH + 2CO 2
Kvalita takto získaného ethanolu je velmi závislá na výchozí surovině, následné čištění se provádí v destilačních
kolonách.
Takto získaný ethanol se zpracovává parním reformingem a následnou dvoustupňovou konverzí CO za použití
vhodných reakčních teplot a katalyzátorů.
C 2 H 5OH + 3H 2O → 2CO 2 + 6 H 2O
CO + H 2O → CO 2 + H 2
K získávání vodíku lze také využít anaerobní procesy, při kterých acetogenické a jiné bakterie produkují vodík. Při
anaerobní konverzi organických substrátů do reálných technologií je nutné si uvědomit, že bakterie mají nejen
rozdílné nutriční požadavky, ale i rozdílnou kinetiku růstu, odlišné požadavky na optimální pH a teplotu a odlišnou
úroveň potenciálu prostředí.
/ 41 /
Brno 2006
Vodík lze také vyrábět pomocí zelených řas, které obsahují enzym hydrogenázu, fotobiologickými procesy.
Zatímco při běžné fotosyntetické přeměně CO2 a vody vzniká kyslík, cukr a voda, využitím bezsirného prostředí
lze místo kyslíku produkovat vodík. K fotobiologické výrobě vodíku se nejčastěji využívá řasa Chlamydomonas
reinhardtii.
SHRNUTÍ
Díky svým technickým a ekologickým vlastnostem zaujímá vodík přední místo zájmu v oblasti energetického
využití. Budoucnost využití vodíku je nejen v automobilovém průmyslu, ale také ve výrobě tepla a elektrické
energie v mobilních i stacionárních aplikacích.
Tento příspěvek je věnován výrobě vodíku se zvláštním důrazem na obnovitelné zdroje. Fosilní zdroje energie
sice také poskytují dostatečné množství vodíku, ale cílem je právě v budoucnu eliminovat závislost lidstva na
fosilních energetických zdrojích (uhlí, ropa, zemní plyn). Z tohoto důvodu se obracíme právě na obnovitelné
zdroje surovin, které poskytují dostatečně velkou základnu pro získání vodíku. Většina uvedených metod
v příspěvku je stále ve fázi vývoje a výzkumu. Proto cena takto vyrobeného vodíku je stále vysoká a
několikanásobně převyšuje cenu ostatních nosičů energie.
[1]
[2]
[3]
[4]
S. S. Penner: Step toward the hydrogen ekonomy, Energy 31 (2006)
A. Steinfeld: Solar thermochemical production of hydrogen – a review, Solar Energy 78 (2005)
IAEA: Hydrogen as an energy carrier and its production by nuclear power (1999)
A. Haryanto, S. Fernando: Current Status of Hydrogen Production Techniques by Stream Reforming of
Ethanol, Energy and Duele 2005
/ 42 /
Brno 2006
VLIV TOPNÉHO REŽIMU NA EMISE KRBOVÝCH KAMEN SPALUJÍCÍCH DŘEVO
Jiřina Čermáková, Martin Vosecký, Jiří Malecha a Bohumil Koutský
V této práci byl sledován vliv topného režimu na emise krbových kamen spalujících březové nebo borové dřevo a
dřevěné brikety. Emise vybraných znečišťujících látek byly sledovány v závislosti na druhu paliva a velikosti
přílože. V provedených experimentech nebyl prokázán významný vliv sledovaných parametrů na emise
znečišťujících látek, rozhodujícím činitelem byla pravidelnost přikládání paliva do kamen.
Klíčová slova: spalování dřeva, znečišťující látky
ÚVOD
Spalování je nejstarším technologickým procesem využívaným lidmi, který odpradávna slouží především k zisku
tepla. Vezmeme-li v úvahu pouze malé individuální zdroje, moderním tuhým palivem nahrazujícím zejména uhlí
je palivo na bázi biomasy. Pro tento případ obvykle biomasou rozumíme dřevo ve formě polen, štěpky, pelet, pilin
či pilinových briket. Spalování probíhá ve čtyřech vzájemně se překrývajících fázích. Po přívodu paliva do
vyhřátého ohniště dochází nejdříve k odpařování vody, palivo se vysouší a při dosažení teploty 250°C dojde
k uvolnění prchavé hořlaviny. Prchavá hořlavina se mísí se vzduchem, čímž dochází ke zvyšování teploty
v topeništi a nastává hoření prchavé hořlaviny. V poslední fázi probíhá při nejvyšších teplotách spalování tuhého
uhlíku, při němž se uvolňuje největší množství tepla. Vznik a průběh spalovacího procesu je ovlivněn některými
vlastnostmi paliv. K těmto vlastnostem patří zejména měrný tepelný obsah paliva (spalné teplo či výhřevnost),
vlhkost, obsah popelovin, meze zápalnosti, teplota vznícení paliva, rychlost hoření plamene, spalovací teplota a
v neposlední řadě také složení. Spalování biomasy má oproti spalování fosilních paliv jako je uhlí řadu specifik.
Vysoký obsah prchavé hořlaviny ve dřevě (70-80 hm.%) oproti uhlí (20-50 hm.%) vede k hoření dřeva dlouhým
plamenem, u něhož obtížněji dochází k mísení spalitelných plynů se vzduchem. Tato skutečnost vede k delší
době prohořívání plynů, což je nutno zohlednit již v konstrukci spalovacího zařízení volbou dostatečně velkého
dohořívacího prostoru. Pro dokonalé prohoření biomasy je třeba přivádět vyšší množství spalovacího vzduchu
(λ∼2), problematická může být i teplota tání popela, která limituje spalovací teploty v zařízení [1-2].
Při spalování jsou do ovzduší uvolňovány znečišťující látky, jejichž množství je dáno zejména typem paliva,
použitým spalovacím zařízením a provozním režimem spalování. Při spalování dřeva vznikají tyto majoritní
znečišťující látky:
•
•
•
•
•
Oxid uhelnatý – CO
Organické látky (OL) – vyjádřené jako celkový organický uhlík (TOC)
Oxid siřičitý – SO2
Oxidy dusíku – NOx (suma NO a NO2, vyjádřená jako NO2)
Tuhé znečišťující látky (TZL) – tuhé částice ve spalinách
Oxid uhelnatý je produktem nedokonalého spalování buď vinou nedostatečného přísunu spalovacího vzduchu
nebo nedostatečnou teplotou spalování. Vyšší koncentrace CO lze očekávat zejména u malých zdrojů, kde není
zajištěna vhodná distribuce spalovacího vzduchu. Organické látky, jako jsou vyšší uhlovodíky či dehty, jsou též
produktem nedokonalého spalování. Oxid siřičitý je do spalin uvolňován jako produkt oxidace síry v palivu,
vzhledem k velmi nízkému obsahu síry u dřeva (typicky 0,02 - 0,3 hm.%) nejsou emise oxidu siřičitého
problematické. Oxidy dusíku vznikají více mechanismy, při teplotách 700 - 900°C charakteristických pro
spalování dřeva je převažujícím mechanismem vznik oxidů dusíku z palivově vázaného dusíku, což opět
vzhledem k nízkému obsahu dusíku ve dřevě (0,2 - 1 hm.%) není problematické. Tvorba tuhých znečišťujících
látek je dána jak vlastnostmi paliva, tak typem ohniště a u malých zdrojů je možné jejich tvorbu omezit pouze
volbou vhodného paliva. U větších zařízení se pak používá odloučení tuhých částic ze spalin. Tvorba tuhých
znečišťujících látek je značně závislá na dokonalém spalování, zejména na dostatečném přívodu spalovacího
vzduchu, dostatečné teplotě spalování, homogenizaci spalin a dostatečné době zdržení nedohořelých spalin ve
spalovacím prostoru [2-5].
Jiřina Čermáková, VŠCHT, Technická 5, Praha 6, email: [email protected]
/ 43 /
Brno 2006
Práce se věnuje měření emisí vybraných majoritních znečišťujících složek (CO, NOx a SO2) při spalování dřevní
hmoty v krbových kamnech malého výkonu, které slouží pro vytápění rodinného domu. Sledovanými parametry
byl druh paliva (březové či borové dřevo a pilinové brikety) a velikost přílože. Snahou během měření bylo
napodobit běžné provozní podmínky s možností použít získané poznatky pro každodenní provoz spalovacího
zařízení.
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Dřevo bylo spalováno v kombinovaných krbových kamnech typu Golemek 9/5 firmy Verner, a.s., jejichž základem
je roštové topeniště s přívodem primárního vzduchu pod rošt a bočními přívody sekundárního vzduchu.
Koncentrace vybraných znečišťujících látek (CO, NOx a SO2) byly měřeny kontinuálně pracujícím analyzátorem
HORIBA PG 250, který navíc měřil koncentraci CO2 a O2. Koncentrace CO, CO2 a SO2 byly analyzovány pomocí
infračervené spektrometrie, NOx chemiluminiscenčně a O2 paramagneticky. Měření pro každé palivo probíhalo v
šestihodinových blocích, kdy se jako doprovodný údaj zaznamenávala teplota v komíně, teplota uvnitř vytápěné
místnosti i venku a byla též pomocí dřevařského vlhkoměru měřena vlhkost jednotlivých kusů dřeva.
Vlastní spalovací experiment byl proveden s různými typy dřev a jejich různou hmotností. Byly řešeny tři hlavní
úkoly:
•
Posouzení vlivu jednotlivých druhů paliv na hmotnostní koncentrace znečišťujících látek. Jako
paliva byla použita bříza, borovice a dřevěné brikety, kdy hmotnost jednotlivých příloží byla pod
1 kg.
•
Posouzení vlivu velikosti přílože na emise znečišťujících látek. Byly zvoleny kusy nad 2 kg a
kusy pod 1 kg. Tento vliv byl posuzován u vybraného paliva, kterým byla borovice.
•
Posouzení souvislosti mezi teplotou v komíně a hmotnostní koncentrací znečišťujících látek u
jednotlivých druhů paliv.
Palivo se skládá ze tří základních složek: hořlaviny, vody a popelovin, které tvoří tzv. hrubý rozbor paliva pro nějž
platí:
W + A + h = 1 (kg.kg-1),
kde :
W je voda obsažená v palivu,
A jsou inertní popeloviny v palivu,
H je hořlavina ( část palivové hmoty obsahující uvolňující teplo).
Obsah vody, popela a prchavé hořlaviny byl stanoven dle postupů uvedených v [6]. Výsledky stanovení jsou
uvedeny v Tab. 1. Obsah vody stanovený u vzorků dřeva laboratorně byl nižší než byl při měření dřevařským
vlhkoměrem během spalovacích experimentů, protože zkouška byla prováděna později a dřevo bylo uloženo
v laboratoři, kde docházelo k vysoušení. Hodnoty vlhkosti měřené dřevařským vlhkoměrem během spalovacích
experimentů ukazovaly průměrnou vlhkost paliva přibližně v rozsahu 15 - 25 hm.%.
/ 44 /
Brno 2006
Tab. 1 : Výsledky hrubého rozboru paliv.
Stanovení
Typy dřeva
Voda*
Popel*
Prchavá hořlavina*
Bříza
16,3
0,44
73,9
Borovice
18,6
0,55
68,7
Brikety
15,6
0,20
73,2
* hmotnostní procenta
Naměřené hodnoty koncentrací znečišťujících látek ve formě objemových zlomků byly dle následujícího vztahu
přepočteny na hmotnostní koncentrace za normálních stavových podmínek a referenčního obsahu kyslíku ve
spalinách, který je pro spalování dřeva 11 obj.%:
ρ N ,r ( ZL ) =
kde:
ρN,r(ZL)
p
R
TN
φ(ZL)
M(ZL)
φair(O2)
φr(O2)
φm(O2)
pN
ϕ (O ) − ϕ r (O2 )
⋅ ϕ ( ZL ) ⋅ M ( ZL ) ⋅ air 2
,
R ⋅ TN
ϕ air (O2 ) − ϕ m (O2 )
je hmotnostní koncentrace znečišťující látky při vztažných podmínkách,
je normální tlak (101,325 kPa),
plynová konstanta (8,314 J.mol-1.K-1),
normální teplota (273,15 K),
objemový zlomek znečišťující látky v suchém odpadním plynu zjištěný měřením,
molární hmotnost znečišťující látky,
objemový zlomek kyslíku v suchém spalovacím vzduchu,
referenční objemový zlomek kyslíku pro vztažné podmínky,
objemový zlomek kyslíku v suchém odpadním plynu zjištěný měřením.
VÝSLEDKY A DISKUSE
Vliv jednotlivých druhů paliv na koncentrace znečišťujících látek
hmotnostní koncentrace/g.m-3
-3
hmotnostní koncentrace/g.m
hmotnostní koncentrace/g.m-3
Průměrné hodnoty hmotnostních koncentrací znečišťujících látek, které byly sledovány u jednotlivých druhů paliv
po dobu trvání experimentu (tedy po dobu šesti hodin), jsou uvedeny na Obr. 1.
7
6
5
4
3
2
1
0
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
NOx
CO
BŘÍZA
BOROVICE
BŘÍZA
BRIKETY
BOROVICE
SO2
BRIKETY
Obr. 1 Průměrné hodnoty hmotnostních koncentrací sledovaných znečišťujících látek pro jednotlivá paliva.
/ 45 /
Brno 2006
Jak je vidět na Obr. 1, průměrné hmotnostní koncentrace NOx byly pro všechna paliva v rozmezí
0,08 – 0,12 g.m-3, což je hodnota velmi nízká. Emisní limit pro propůjčení známky „Ekologicky šetrný výrobek“
udává pro spalování biomasy hodnotu 250 mg.m-3, která je bezpečně splněna. Z provedených měření navíc
vyplývá, že koncentrace NOx není tak citlivá na provozní režim kamen jako je tomu u dále diskutovaného CO.
Průměrná hmotnostní koncentrace SO2 je obdobná pro břízu i pilinové brikety (0,14 g.m-3), zatímco pro borovici je
nižší (0,03 g.m-3). Vzhledem ke skutečnosti, že obsah síry nebyl v palivech stanovován, nelze doložit předpoklad
poněkud nižšího množství síry v borovém dřevu oproti bříze a borovici.
Hmotnostní koncentrace CO, která indikuje správné nastavení spalovacího procesu byla u všech testovaných
paliv přibližně stejná, což je ve zdánlivém rozporu s Obr. 1. Výrazně vyšší hodnotu koncentrace CO dosažené při
spalování briket je možno vysvětlit z průběhu spalovacího experimentu, kdy došlo k pozdnímu přiložení do téměř
vyhaslých kamen. Nová přílož tak byla pomalu ohřívána, přičemž došlo k odplynění prchavých podílů za nízké
teploty v topeništi, které se projevilo na razantním nárůstu koncentrace CO. Tato skutečnost je patrná na Obr. 2
pro hodnotu z intervalu měření 4:00 – 4:30. V případě CO je emisní limit pro propůjčení známky „Ekologicky
šetrný výrobek“ 2 000 mg.m-3, čehož nebylo dosaženo ani pro jedno měřené palivo. Závislost průměrných
půlhodinových hmotnostních koncentrací na čase měření pro všechna paliva je uvedena na Obr. 2.
CO
hmotnostní
koncentrace/g.m -3
25
20
15
10
5
0
0:30
1:00
1:30
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
čas/hh:mm
briketa
břiza
borovice
Obr. 2: Závislost průměrných hmotnostní koncentrací na půlhodinových intervalech měření.
Z uvedeného obrázku je patrné, že koncentrace CO je při standardním průběhu spalování srovnatelná pro
všechna sledovaná paliva, značný nárůst koncentrace CO po 4. hodině pro brikety byl popsán výše.
Vliv velikosti přílože na koncentraci oxidu uhelnatého
Vliv velikosti přílože na koncentraci CO je zobrazen na Obr. 3. Přestože je koncentrace CO značně rozkolísaná
pro obě velikosti paliva, nelze z provedených měření usoudit jednoznačnou závislost mezi velikostí polen a
koncentrací CO. Sledovaný průběh indikuje, že převažující vliv má správné přiložení, tj. přiložení ve vhodný čas,
kdy ještě nepoklesla teplota v ohništi pod mez, která je potřebná pro rychlé rozhoření nové přílože. Dojde-li
k poklesu pod tuto teplotu, koncentrace CO značně narůstá nezávisle na tom, jak velká (ve sledovaném rozsahu)
je přílož .
/ 46 /
Brno 2006
hmot. koncentrace CO/g.m-3
7
6
5
4
3
2
1
0:30
1:00
1:30
2:00
2:30
3:00
3:30
4:00
4:30
5:00
5:30
6:00
čas/hh:mm
CO velká
CO malá
Obr. 3: Vliv velikosti přílože borového dřeva na hmotnostní koncentraci CO.
Souvislost mezi teplotou v komíně a hmotnostní koncentrací znečišťujících látek ve spalinách
Uvažovanou znečišťující látkou je v této části pouze CO jako převažující znečišťující látka. Hmotnostní
koncentrace CO je spolu s teplotou v komíně během spalování borového dřeva uvedena na Obr.4. Z obrázku je
patrné, že při přiložení paliva do kamen dojde nejdříve k prudkému nárůstu koncentrace CO vlivem odplynění
nového paliva. Spalování uvolněných plynů po krátké době značně zvýší teplotu v komíně, a tedy i v topeništi.
Odezva přílože paliva do kamen se na teplotě v komíně projeví s určitým zpožděním, protože nejprve dochází k
vysoušení paliva a uvolňování prchavé hořlaviny, a pak teprve dochází k zapálení a hoření paliva. Jak dochází
k postupnému odhořívání nové přílože, teplota pozvolně klesá za současného pozvolného nárůstu koncentrace
CO. Tyto děje se cyklicky opakují s novými příložemi. Závěrem lze říci, že se snižující teplotou v komíně, a tedy i
v topeništi, roste hmotnostní koncentrace CO.
25
Borovice
20
teplota v
komíně/°C
160
15
140
10
120
5
100
0:00
hmotnostní
-3
koncentrace/g.m
180
0
1:00
2:00
čas/hh:mm
3:00
t
4:00
přílož
5:00
CO
Obr. 4: Závislost hmotnostní koncentrace CO a teploty v komíně na době měření při spalování borovice.
ZÁVĚR
Příspěvek je zaměřen na sledování emisí vybraných znečišťujících látek (CO, NOx a SO2) vznikajících při
spalování paliv na bázi dřeva ve spalovacích zařízeních malých výkonů. Snahou bylo sledovat emise krbových
kamen za obvyklých provozních podmínek v domácnosti při spalování borového a březového dřeva a pilinových
briket.
/ 47 /
Brno 2006
Ze spalovacích experimentů provedených se všemi palivy, během nichž bylo kontinuálně měřeno složení spalin
a teplota v komíně, vyplývá, že za obvyklých provozních podmínek je vliv velikosti přílože paliva, stejně jako vliv
druhu paliva na koncentraci sledovaných znečišťujících látek zanedbatelný. Nejvyšší koncentrace znečišťujících
látek vznikají při rozhořívání a dohořívání přílože paliva, tedy v době, kdy teplota v topeništi (v této práci
indikovaná teplotou v komíně) dosahuje nejnižších hodnot. Optimálního režimu spalování z hlediska minimalizace
tvorby znečišťujících látek lze tedy dosáhnout především rovnoměrným přikládáním paliva do kamen, které
zabrání nežádoucímu poklesu teploty v ohništi. Je však patrné, že tento zdánlivě jednoduchý požadavek nebývá
při běžném provozu často splněn.
PODĚKOVÁNÍ
Tato práce vznikla díky finanční podpoře Ministerstva mládeže, školství a tělovýchovy ČR v rámci projektu číslo
MSM 6046137304.
[1]
[2]
[3]
NOSKIEVIČ, P a kol. (1996): Biomasa a její energetické využití, VŠB-TUO
PASTOREK, Z., KÁRA, J., JEVIČ, P. (2004): Biomasa, obnovitelný zdroj energie, FCC Public
BAŠTA, J., BROŽ, K., CIKHART, J., ŠTORKAN, M., VALENTA, V. (2001): Topenářská příručka,
GAS s.r.o., Praha
[4] TEKÁČ, V. (2003): Doktorská disertační práce, VŠCHT Praha
[5] POSPÍŠIL, M. (2006): Spalovací procesy, VŠCHT Praha
[6] Kolektiv autorů (1981): Laboratorní cvičení z koksárenství a plynárenství, SNTL
/ 48 /
Brno 2006
TRANSFER TĚŽKÝCH KOVŮ PŘI SPALOVÁNÍ ODPADŮ
René Karásek
Příspěvek se zabývá redistribucí těžkých kovů při spalování odpadů. Jedná se výhradně o problematiku
spalování směsného komunálního odpadu, který se spaluje ve spalovnách SKO.
Klíčová slova: emise těžkých kovů, redistribuce, spalování odpadů
ÚVOD
Ačkoli prioritou odpadového hospodářství je zamezení vzniku, případně minimalizace vzniku odpadů, přesto
v celé řadě oborů lidských činností vznik odpadů nelze ani do budoucna zcela vyloučit. V tomto případě je
nezbytné zajistit zneškodnění způsobem, který zabezpečí trvalé zamezení škodlivých vlivů odpadů na životní
prostředí. Termické zneškodňování odpadů má mnoho výhod, především významné snížení objemu odpadů,
sterilnost zbytků po spalování a rovněž rychlost procesu zneškodnění oproti jiným metodám. K nevýhodám patří
možné emise škodlivin v plynných produktech a z toho plynoucí zvyšující se investiční náklady na realizaci těchto
termických zařízení, vybavených účinným systémem čištění spalin.
LEGISLATIVA
Legislativní zázemí týkající se spalování odpadů je hnací silou technologického vývoje spalovacích zařízení a
účinným prostředkem pro snižování emisí těžkých kovů ze spalovacích procesů. Vedle mezinárodních směrnic a
úmluv je v současné době pro ČR celá řada zákonů, vyhlášek a nařízení, které se týkají problematiky spalování
odpadů. Emisní limity a další podmínky pro spalování odpadů jsou stanoveny nařízením vlády č. 354/2002 Sb.
V příloze tohoto nařízení jsou uvedeny emisní limity těžkých kovů pro spalovny komunálního odpadu – viz. tab. 1.
Tab. 1 Emisní limity [3]
1. Kadmium a jeho sloučeniny
2. Thalium a jeho sloučeniny
3. Rtuť a její sloučeniny
4. Antimon a jeho sloučeniny
5. Arzén a jeho sloučeniny
6. Olovo a jeho sloučeniny
7. Chróm a jeho sloučeniny
8. Kobalt a jeho sloučeniny
9. Měď a její sloučeniny
10. Mangan jeho sloučeniny
11. Nikl a jeho sloučeniny
12. Vanad a jeho sloučeniny
(vyjádřené obsahem Cd)
(vyjádřené obsahem Tl)
(vyjádřené obsahem Hg)
(vyjádřené obsahem Sb)
(vyjádřené obsahem As)
(vyjádřené obsahem Pb)
(vyjádřené obsahem Cr)
(vyjádřené obsahem Co)
(vyjádřené obsahem Cu)
(vyjádřené obsahem Mn)
(vyjádřené obsahem Ni)
(vyjádřené obsahem V)
celkem
0,05 [mg/m3]
0,05 [mg/m3]
celkem
0,5 [mg/m3]
Z uvedené tabulky je možno pozorovat, které těžké kovy jsou monitorovány. Je nutno poznamenat, že nové
emisní limity jsou oproti dříve platným několikanásobně přísnější a jsou v souladu s legislativou EU [4].
PROCES SPALOVÁNÍ ODPADŮ A JEHO SLOŽENÍ
Směsný komunální odpad (SKO) se nejčastěji spaluje na roštu (90%), v rotačních pecích, pecích s fluidním
ložem, popř. zplyňuje pyrolýzním způsobem. Schéma technologického procesu je uvedeno na obr. 1 [5].
Ing. René Karásek, VUT v Brně, FSI, EU, Technická 2, 619 69, Brno, [email protected]
/ 49 /
Brno 2006
Obr. 1 Schéma technologického procesu [5]
Složení SKO není jednotné a mění se ve velmi širokém intervalu. Faktorů, které ovlivňují jeho složení je celá
řada, tudíž i obsah těžkých kovů v něm značně kolísá. (Zde je nutno podotknout, že k dosažení dobrého vyhoření
odpadů a zneškodnění toxických plynných produktů spalování je stanovena legislativně minimální spalovací
teplota v plynné fázi 850 ºC a minimální doba zdržení spalin od dosažení této teploty po dobu dvou sekund po
poslední dodávce spalovacího vzduchu). Oddělený sběr různých frakcí může mít velký vliv na průměrné složení
odpadu přijímaného do spalovny. Např. oddělený sběr některých baterií může výrazně snížit vstupy rtuti do
spalovny odpadu. Morfologické složení odpadů je uvedeno na obr. 2 (hodnoty převzaty z materiálů SAKO Brno,
a.s.). Elementární rozbor SKO je uveden v tab. 3 [1].
drobná frakce
15,8%
textil
3,3%
dřevo
1,3%
papír+tetrapak
18,6%
sklo
6,7%
inert+minerál
4,2%
kovy
4,4%
plast
14,5%
bioodpad
31,1%
Obr. 2 Morfologické složení odpadů
Tab. 2 Elementární rozbor SKO [1]
Parametr /
Prvek
Výhřevnost [MJ]
Voda [%]
Popeloviny [%]
Uhlík
Vodík
Dusík
Kyslík
Síra
Fluor
Chlor
Hodnota
[% suché
substance]
7-15
15-40
20-35
18-40
1-5
0,2-1,5
15-22
0,1-0,5
0,01-0,035
0,1-1
Prvek
Olovo
Zinek
Měď
Mangan
Nikl
Chrom
Vanad
Kobalt
Kadmium
Rtuť
Hodnota
[mg/kg suché
substance]
100-2000
400-1400
200-700
250
30-50
40-200
4-11
3-10
1-15
1-15
/ 50 /
Prvek
Arsen
Selen
Thalium
Hodnota
[mg/kg suché
substance]
2-5
0,21-15
<0,1
Brno 2006
PRODUKTY SPALOVÁNÍ
Při plně oxidačním spalování jsou hlavními složkami spalin: vodní pára, oxid uhličitý, kyslík. Podle složení
spalovaného materiálu a v závislosti na provozních podmínkách vzniká malé množství CO, HCl, HF, HBr, HI,
NOx, SO2, TOL, PCDD, PCDF, PCB a sloučeniny těžkých kovů [6]. V závislosti na spalovací teplotě se během
hlavních stupňů spalování úplně nebo částečně odpaří těkavé těžké kovy a anorganické sloučeniny. Vzniká
minerální zbytkový popílek a těžší tuhý popel (škvára nebo struska). Obsah škváry je mnohem větší oproti
množství popílku. Rozdělení produktů spalování při spalování domovního odpadu je znázorněno na obr. 3 [1].
spaliny
71,2%
šrot
2,8%
odpadní voda
0,3%
popílek z filtrů
2,4%
filtrační koláč
0,1%
struska
23,2%
Obr. 3 Rozdělení produktů při spalování domovního odpadu [% hm.]
V souvislosti s obr. 1 je zřejmé, že jednotlivé složky, uvedené na tomto obrázku, vznikají následujícím způsobem:
•
•
•
•
•
•
vyčištěné spaliny – spaliny, které prošly všemi stupni čištění a vstupují do ovzduší,
škvára, struska – pevný zbytek po spálení bez separovaného železného odpadu, má sypkou
konzistenci, tmavošedou barvu a je bez zápachu a bez nebezpečných vlastností. Základní složkou
tohoto odpadu je SiO2 – cca 50 %, dále obsahuje CaO, Al2O3, zbytek tvoří alkalické oxidy, oxidy železa,
sírany, chloridy, fluoridy a oxidy některých těžkých kovů. Neobsahuje v sušině látky typu PCB. Je
používána na technické zabezpečení skládek nebo skládkována na příslušné skupině skládek,
kovový šrot – odděluje se od chlazené škváry v magnetickém separátoru a dodává se do oceláren,
popílek z elektrostatického odlučovače (EO) – lehký popel, který se šíří se spalinami a je zachycován na
usazovacích elektrodách EO, váže se na něj největší podíl škodlivin – těžké kovy a organické
persistentní polutanty typu PAU, PCB, PCDD/F. Popílek má sypkou konzistenci, šedou barvu a je bez
zápachu. Je shromažďován v sile popílku a je buď dávkován do míchačky solidifikační linky, nebo
odvážen přímo k následné úpravě stabilizací a využití při rekultivacích,
odpadní voda – vzniká při mokrém praní spalin, poté čištěna pro odstranění těžkých kovů,
filtrační koláč – vzniká z čištění odpadních vod, skládkován.
Odpadní produkt z II. stupně čištění spalin je někdy taktéž nazýván jako End – produkt (odpadní produkt
z kategorie nebezpečný). Jeho chemické složení závisí na složení spalin, tedy na skladbě SKO. Z makrosložek
obsahuje cca 60 % CaCl2, cca 20 % Ca(SO3)2, cca 3 % Ca(SO4)2, CaF2, nezreagovaný vápenný hydrát Ca(OH)2
a aktivní uhlí. Odděluje se na textilních filtrech jako výsledný reakční produkt neutralizační reakce kyselých složek
spalin a alkalického sorbentu – vápenného mléka. Je to velmi jemný prach tmavošedé barvy (vlivem přítomnosti
aktivního uhlí), bez zápachu, silně hygroskopický v důsledku nezreagovaného Ca(OH)2. Je shromažďován v sile
End – produktu a je buď dávkován do míchačky solidifikační linky, nebo odvážen přímo k následné úpravě
stabilizací a využití při rekultivacích.
V míchačce solidifikační linky se dle stanovené receptury mísí v předepsaném poměru popílek, End – produkt,
cement a voda a vzniká tzv. Solidifikát ( odpadní produkt kategorie ostatní). Vzniklý solidifikát v kašovitém stavu,
šedočerné barvy bez zápachu se plní do speciálních autocisteren a odváží se k odstranění na smluvní skládky,
/ 51 /
Brno 2006
kde se v kašovitém stavu vypouští do určených prostorů skládky. Během 48 hodin dojde k jeho vytvrdnutí.
V tomto alkalicky reagujícím prostředí jsou těžké kovy nerozpustné a veškeré škodliviny jsou pevně fyzikálně
a chemicky vázány a je tak zabráněno kontaminaci životního prostředí [5].
TRANSFER VYBRANÝCH KOVŮ DO PRODUKTŮ SPALOVÁNÍ
Následující tabulka uvádí rozdělení zkoumaných kovů do produktů spalování při spalování domovního odpadu
(DO) a systémového odpadu (SO) [1].
Tab. 3 Redistribuce kovů při spalování [%]
Železo
vyčištěné spaliny
struska
šrot
prach z EO
odpadní voda
filtrační koláč
DO
<1
18
80
1
<1
<1
vyčištěné spaliny
struska
šrot
prach z EO
odpadní voda
filtrační koláč
DO
<1
94
--1
<1
6
Olovo
SO
<1
21
78
<1
<1
<1
DO
<1
72
--28
<1
<1
SO
<1
94
--<1
<1
6
DO
<1
46
--54
<1
<1
Měď
SO
<1
75
--25
<1
<1
Zinek
SO
<1
43
--57
<1
<1
Kadmium
DO
SO
<1
<1
9
8
----90
92
<1
<1
<1
<1
Rtuť
DO
SO
<1
<1
5
4
----30
51
<1
<1
65
44
Tabulka naznačuje jisté vlastnosti a chování těžkých kovů během spalovacího procesu – viz např. výskyt rtuti
v prachu elektrostatických odlučovačů a ve filtračním koláči. Nebo naopak vysoký podíl olova ve strusce atd.
ZÁVĚR
Hlavním účelem příspěvku je seznámení se základním chováním těžkých kovů při spalování komunálních
odpadů. Hodnoty uvedené výše jsou závislé od konkrétního spalovacího zařízení a stejnou měrou taktéž na
složení SKO. Další etapa výzkumu bude sledování vlivů spalovacích podmínek na redistribuci těžkých kovů, tak
jako zkoumání závislostí mezi poměrem odpadu domovního a systémového a následného rozdělení těžkých
kovů do jednotlivých produktů spalování.
Tento příspěvek vznikl za podpory Grantové agentury ČR, projekt GAČR 101/03/H064 "Energie z biomasy"
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Schachermayer E., Bauer G., Ritter E., Brunner P.H. Messung der Güter- und Stoffbilanz einer
Müllverbrennungsanlage, Umweltbundesamt, Wien 1995
Karásek R. Diplomová práce, Brno, VUT v Brně, 2003
Nařízení vlády ze dne 3. července 2002, kterým se stanoví emisní limity a další podmínky pro spalování
odpadů, Sbírka zákonů č. 354/2002
Directive 2000/76/EC of the European Parliament and of the Council of 4 December 2000 on the
incineration of waste, Official Journal of the European Communities, 28.12.2000
URL: <http://www.sako.cz>
Referenční dokument o nejlepších dostupných technologiích spalování odpadů, červenec 2005. Dostupné
z < http://eippcb.jrc.es >
/ 52 /
Brno 2006
LISOVACIA TEPLOTA, LISOVACÍ TLAK, VLHKOSŤ MATERIÁLU A ICH VZÁJOMNÉ VZŤAHY
Peter Križan
Pri výrobe moderných energonosičov je veľmi dôležité poznať vplyv jednotlivých faktorov, ktoré vplývajú na
výslednú kvalitu výliskov. V tomto príspevku som sa rozhodol popísať tri z týchto faktorov: lisovaciu teplotu,
lisovací tlak a vlhkosť vstupného materiálu. Budem sa snažiť popísať aj vzťahy medzi nimi.
Kľúčové slová: lisovacia teplota, lisovací tlak, vlhkosť materiálu, zhutňovanie, experimentálny výskum
ÚVOD
Normy DIN 51731 a ŐNORM M 7135, ktoré definujú terminológiu výliskov a stanovujú rozmery energonosiča,
definujú aj chemicko-termické aj mechanické ukazovatele kvality výliskov. Do skupiny chemicko-termických
ukazovateľov patria: vlhkosť výlisku, obsah popola, výhrevnosť, obsah dusíka, obsah síry, obsah chlóru, a obsah
stopových prvkov. Medzi mechanické ukazovatele patria hustota výlisku, pevnosť v tlaku a oter. Hustota výliskov
je veľmi dôležitá z hľadiska manipulácie, rýchlosti horenia, stability výlisku atď. Výlisky musia byť súdržné, inak by
vznikali trhliny, praskliny a oddeľovali sa jemné častice, čo nie je prípustné. Norma DIN 52182 popisuje aj postup
pri stanovení hustoty výliskov. Norma ŐNORM M 7135 udáva hodnotu hustoty výliskov skupín HP1 (pelety
z dreva) a RP1 (pelety z kôry) viac ako 1,12 kg/dm3, pri ostatných výliskov musí mať hustota hodnotu viac ako 1
kg/dm3. Pevnosť brikety je maximálny tlak na raznicu, ktorý vznikne pri tlakovej skúške za stanovených
podmienok. Pre skúmanie pevnosti valcových brikiet v tlaku sú vhodné dve základné skúšky – skúška rozštepom
(tlak pôsobí na briketu uloženú v horizontálnej polohe) a skúška pevnosti v jednoduchom tlaku (tlak pôsobí na
briketu uloženú vo vertikálnej polohe). Oter je najdôležitejší ukazovateľ kvality peliet. Norma ŐNORM M 7135
udáva maximálnu dovolenú hodnotu oteru len pre skupiny HP1 a RP1, a to ARmax= 2,3%. Tento ukazovateľ je
dôležitý z hľadiska zamedzeniu vzniku prachových častíc v procese automatizovanej dopravy peliet. Metóda na
stanovanie oteru peliet je jednoduchá a rýchla. Uvedené ukazovatele nám budú v experimentoch hodnotiť vplyvy
rôznych parametrov vplývajúcich na kvalitu výliskov.
V tomto príspevku by som chcel popísať 3 parametre a ich vzájomné vzťahy, ktoré majú podľa môjho názoru
najväčší vplyv na výslednú kvalitu výliskov. Sú to lisovacia teplota, lisovací tlak a vlhkosť vstupného materiálu.
LISOVACIA TEPLOTA
Lisovacia teplota má významný vplyv na kvalitu a pevnosť výliskov. Tento parameter rozhoduje o vylučovaní
lignínu z bunečnej štruktúry dreva. Lignín je veľmi dôležitý pri procese zhutňovania, pretože v lisovanom materiáli
je jeho funkciou spájať vlákna a účinkuje aj ako spevňovací faktor celulózových molekúl v rámci bunkových stien.
Čím viac lignínu materiál obsahuje a čím viac ho dokážeme uvoľniť, tým vyššia je kvalita výliskov, pretože lignín
dodáva materiálu pevnosť hlavne v tlaku. Lignín sa uvoľňuje len pri určitej lisovacej teplote, ktorú musíme
zabezpečiť, aby celý proces zhutňovania mohol fungovať. Dostatočná teplota pre plastifikáciu lignínu je asi
120ºC, táto teplota však závisí aj od druhu lisovaného materiálu. Na obr. 1 si môžeme všimnúť závislosť pevnosti
brikety od lisovacieho tlaku. Vidíme, že nie je dôležité dvíhať lisovaciu teplotu čo najvyššie. Graf nám dokazuje,
že optimálna lisovacia teplota je v strednej časti závislosti, ak je teplota mimo tejto oblasti výlisok sa stáva
nestabilný, má nízku pevnosť čo spôsobuje rýchlejší rozpad pri horení, výlisok horí kratší čas. Pri nižších
teplotách je vylisovanie kvalitného výlisku nepravdepodobné a pri veľmi vysokých teplotách nastáva vysoký únik
prchavých látok, prípadne lisovaný materiál môže začať horieť. So zvyšujúcou sa teplotou pri konštantnom tlaku
rastie pevnosť brikety, avšak ako som už uviedol vyššie, iba do určitej hodnoty.
Ing. Peter Križan, Strojnícka fakulta STU Bratislava, Nám.Slobody 17, Bratislava 812 31, [email protected]
/ 53 /
Brno 2006
30
pevnosť brikety [MPa]
25
20
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
600
lisovacia teplota [ ºC]
Obr. 1 Závislosť pevnosti brikety σP [MPa] od teplota lisovania T [°C] , pri konštantnom lisovacom tlaku p = 100
MPa, vlhkosti materiálu wr = 20% a veľkosti frakcie cca 1mm. [1]
LISOVACÍ TLAK
Je najdôležitejší faktor, ovplyvňujúci hlavne pevnosť výliskov. Pevnosť výlisku je vyššia pri zhutňovaní kde
pôsobia vyššie tlaky. Rastie až do medze pevnosti zhutňovaného materiálu. Pevnosť výlisku vplýva na trvanlivosť
výliskov, pretože s nárastom pevnosti klesá náchylnosť na nasávanie atmosférickej vlhkosti pri dlhšom
skladovaní. Tento faktor, lisovací tlak, je z hľadiska komplexného rozboru alebo výskumu veľmi zaujímavý
a zároveň veľmi komplikovaný faktor. Na vylisovanie kvalitného výlisku je nutné v lisovacej komore zabezpečiť
tzv. maximálny lisovací tlak. Tento pozostáva z tlaku potrebného na lisovanie a z tlaku potrebného na posunutie
už zlisovaného výlisku resp. výliskov. Na tieto tlaky navyše vplývajú rôzne parametre, napr. druh lisovaného
materiálu, teplota v lisovacej komore (tzv. lisovacia teplota), teplota lisovaného materiálu (ak materiál pred
lisovaním predhrejeme dosiahneme kvalitné, normou predpísané výlisky už pri nižších tlakoch), a v neposlednom
rade aj dĺžka, priemer a tvar lisovacej komory, a tiež spôsob lisovania. Spôsob lisovania má vplyv na rozloženie
vrstiev vo výlisku a teda na pevnosť výlisku. Na obr. 2 vidíme závislosť hustoty výliskov od tlaku pri lisovaní
nahriatej vzorky na T=200 °C a pri lisovaní „nenahriatej“ vzorky o izbovej teplote T=20 °C . Môžeme tvrdiť, že pri
nahrievaní sa podarilo vylisovať výlisky s lepšou hustotou, a tým pádom kvalitnejšie už pri nižších tlakoch. Ohrev
materiálu pri lisovaní znižuje tlak potrebný na lisovanie na požadovanú hustotu výliskov, výlisky nebudú
vykazovať trhlinovatosť a budú vykazovať stálosť tvaru a objemu. Na obr. 3 môžeme vidieť vplyv druhu materiálu.
1600
T=200 °C
1400
hustota [kg.m-3]
1200
1000
T=20 °C
800
600
400
200
0
0
50
100
150
200
250
300
tlak [MPa]
Obr. 2 Závislosť hustoty výliskov ρ[kg.m-3] od tlaku p [MPa] , pri lisovaní nahriatej vzorky na teplotu T = 200 °C
a pri lisovaní vzorky o izbovej teplote T=20 °C [2]
/ 54 /
Brno 2006
1600
1400
hustota [kg.m-3]
1200
S
1000
D
800
600
400
200
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
tlak [MPa]
Obr. 3 Závislosť hustoty ρ[kg.m-3] od tlaku p [MPa] pre pelety so smrekových pilín (S) a dubových pilín (D) [2]
VLHKOSŤ LISOVANÉHO MATERIÁLU
Ak chceme vedieť vyrábať kvalitné výlisky ako to predpisujú normy, musíme poznať aj vplyv vlhkosti materiálu.
Na obr. 4 a na obr. 5 sú uvedené závislosti hustoty výlisku a pevnosti výlisku od vlhkosti lisovaného materiálu.
Každá z týchto závislostí je získaná pri lisovaní iného druhu materiálu, dokonca pri lisovaní rozdielnych typov
materiálov, pri lisovaní drevných pilín a pri lisovaní zmesi koksu a hnedého uhlia. Napriek tomu majú závislosti
podobný charakter. Môžeme preto povedať, že vlhkosť závisí aj od lisovaného materiálu, ale nepredpokladáme
veľké rozdiely v hodnote optimálnej vlhkosti. Nevieme však exaktne označiť túto optimálnu hodnotu vlhkosti. Na
základe znalostí a skúseností sa javí vlhkosť 10-18% vhodná pre zhutňovanie a potvrdzujú to aj závislosti na
obr. 4 a obr. 5. Ak je vlhkosť lisovaného materiálu veľmi malá a naopak veľmi veľká, t.z. mimo intervalu (10-18%),
častice materiálu nie sú súdržné a výlisok sa rozpadáva. Výskumy a experimenty dokázali, že vlhkosť má vplyv
na plastifikáciu lignínu. Teplota mäknutia lignínu však závisí aj od druhu dreviny z ktorej je izolovaný a aj od
metódy izolácie. Vplyv obsahu vody na teplotu sklovitého prechodu lignínu je znázornený na obr. 6. Teplota
fázového prechodu lignínu z tuhého do plastického stavu je priamoúmerná jeho molekulovej hmotnosti
a nepriamoúmerná obsahu vlhkosti.
Hustota brikety (kg.dm3)
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
Vlhkosť materiálu (%)
Obr. 4 Závislosť hustoty brikiet od vlhkosti materiálu
(drevné piliny) [3]
Obr. 5 Závislosť pevnosti výlisku od vlhkosti materiálu
(zmes koksu a hnedého uhlia) [3]
/ 55 /
Brno 2006
Obr. 6 Vplyv vlhkosti na teplotu mäknutia smrekového lignínu [4]
VZŤAHY MEDZI TLAKOM, TEPLOTOU A VLHKOSŤOU
Tla k [MPa]
160
140
120
100
smrek
dub
80
slama
60
trst
40
20
0
-30
20
70
120
170
220
270
Teplota [°C]
Obr. 7 Závislosť lisovacieho tlaku od lisovacej teploty pri lisovaní rôznych druhov materiálov [5]
Vzťah medzi teplotou a tlakom nám znázorňuje závislosť na obr.7. Môžeme si všimnúť lisovanie rôznych druhov
materiálov, avšak charakter závislosti sa veľmi nezmenil. Druh lisovaného materiálu ovplyvňuje kvalitu výlisku,
ale výrazným spôsobom nevplýva na vzťah medzi lisovacím tlakom a teplotou. Tlak a teplota idú v procese
zhutňovania spolu „bok po boku“, ak zvýšime veľkosť tlaku môžeme si dovoliť mierne znížiť teplotu, a naopak ak
zvýšime teplotu môžeme mierne znížiť tlak. Je však všeobecne známe, že je lacnejšie a tým pádom výhodnejšie
pridávať do procesu zhutňovania teplo ako zvyšovať tlak. Pri návrhu nových konštrukcií zhutňovacích strojov by
sa malo vychádzať z predpokladu nižších tlakov a vyšších teplôt resp. vyššieho množstva dodávaného tepla.
Experimentálnym výskumom, na ktorý sa na katedre pripravujeme, zistíme optimálne hodnoty tlaku a teploty
vzhľadom na normou zadanú hustou a pevnosť výlisku.
Vzťahy medzi vlhkosťou, tlakom a teplotou sú však trošku iné. Ak nastavíme optimálnu teplotu aj tlak
a nebudeme mať optimálnu hodnotu vlhkosti, výlisok nebude kompaktný a bude sa rozpadávať. Teplota síce
pôsobí na plastifikáciu lignínu v lisovanom materiály a tlakom sme schopný zabezpečiť samotné zhutnenie, ale
ak má lisovaný materiál vysokú vlhkosť, unikajúca voda vo forme pary trhá výlisok. Ak je vlhkosť veľmi nízka (cca
pod 10%), na to aby sme dosiahli kvalitný výlisok musíme zabezpečiť podstatne vyššiu teplotu aj vyšší tlak, čo je
už veľmi nerentabilné. Určitú vlhkosť lisovaný materiál musí mať, lebo inak pri zhutnení nedochádza k spekaniu
materiálu čo zabezpečuje tiež súdržnosť častíc materiálu vo výlisku. Optimálna hodnota vlhkosti bude tiež
predmetom experimentálneho výskumu.
/ 56 /
Brno 2006
ZÁVER
Samozrejme pri zhutňovaní sú dôležité aj ďaľšie parametre. Tieto budú tiež predmetom môjho experimentálneho
výskumu. Experimentmi získame nové poznatky v oblasti tlakových pomerov vznikajúcich počas lisovacieho
procesu, ako závislosť lisovacieho tlaku od lisovacej teploty p=f(T), závislosť lisovacieho tlaku od vlhkosti
lisovaného materiálu p=f(wr), závislosti hustoty a pevnosti výlisku od lisovacieho tlaku, lisovacej teploty, vlhkosti
lisovaného materiálu ρ=f(p), ρ=f(T), ρ=f(wr), σ=f(p), σ=f(T), σ=f(wr). Taktiež zistíme aj vplyv jednotlivých
konštrukčných zmien (dĺžka a kuželovitosť kanála) vykonaných na lisovacej komore na tieto parametre.
Na nasledujúcom obrázku 8 je znázornená metodika vyhodnocovania hodnôt získaných experimentálnym
výskumom. Na základe týchto poznatkov bude možné navrhnúť modifikovaný matematický model zhutňovania
drevného odpadu, ktorý bude zohľadňovať aj zmeny vplyvov popísaných parametrov.
l
?
?
?
Obr. 8 Metodika vyhodnocovania nameraných údajov
[1] KRIŽAN, P.: Analýza procesu zhutňovania a konštrukcií zhutňovacích strojov, Písomná práca dizertačnej
skúšky, KVT SjF STU Bratislava, 69 str., 2005
[2] BEJDA, J., MIKLÚŠOVÁ, V.: Vlastnosti peliet z dezintegrovaných fytosurovín, Acta Montanistica Slovaca,
ročník 7 (2002), str. 40-43, http://actamont.tuke.sk/pdf/2002/n1/10miklusovabejda.pdf
[3] KRIŽAN, P.: Experimentálny výskum faktorov vplývajúcich na kvalitu výlisku, In.:Zborník z Medzinárodnej
konferencie TOP 2006, 28.-30.6.2006 Častá-Papiernička, str.149-254, ISBN 80-227-2436-X
[4] SOLÁR, R.: Zmeny lignínu v procesoch hydrotermickej úpravy dreva, Vedecká štúdia 1/1997/A, TU Zvolen,
1997
[5] KÁDÁROVÁ,J.: Výskum procesu zhutňovania biomasy, In: Zborník z odborného seminára BRIKETOVANIE
A PELETOVANIE 2004, str. 44 – 50, Bratislava 2004
[6] KRIŽAN, P.: Vlhkosť materiálu – faktor, ktorý veľkou mierou ovplyvňuje kvalitu výlisku pri zhutňovaní, In:
Časopis Výrobné inžinierstvo, číslo 4, ročník V., 2006, str. 32-35, ISSN 1335-7972
/ 57 /
Brno 2006
/ 58 /
Brno 2006
LIQUID FUEL ATOMIZATION AND PIV-PLIF SYSTEM.
Landsmann Michael
The article deals with using combined PIV-PLIF system (Particle Image Velocimetry - Planar Laser Induced
Fluorescence) for research liquid fuel atomization, effervescent atomizer with two-phase flow. The system can
measure and evaluate 3D vectors of veloc
Keywords: Atomization, PIV, effervescent atomizer, spray, velocity, concentration.
INTRODUCTION
Effervescent atomizers became an important elements in industrial applications. The main purpose of the study
was to design an atomizer that would guarantee the following requirements:
• stable spray (positive effects in combustion process)
• uniform mass flux distributions
• small SMD (Sauter Mean Diameter)
EXPERIMENTAL FACILITY
The experimental equipment includes an effervescent atomizer, test bench with fluid supply system and the
combined PIV-PLIF system.
Atomizer description. A simplified transparent
Plexiglas version of an industrial effervescent
atomizer was used for the experiments. Fig. 1 is
a view of the nozzle installed in the test bench.
This optically accessible atomizer was mainly
designed to allow an internal two-phase flow
visualization. The liquid (oil) enters the central
orifice on top, while the air enters by side orifices
and is injected into the liquid, from each side,
through a set of 15 holes with the diameter of
1 mm. The internal diameter of the mixing
chamber is 8 mm and the length, downstream of
the last row of air holes, is 80 mm. The two fluids
form a mixture, flow downstream and exit the
atomizer through an orifice to the ambient
atmosphere forming a spray. The exit orifice
made of brass plate has a diameter of 2.5 mm
and a length of 0.7 mm. There is a conical
junction with the apical angle of 90° between the
orifice and the mixing tube. The atomizer
described and used here is based on an early
design with a long mixing chamber.
Air entries
OIL ENTRY
Mixing chamber
Spray
Fig. 1. Plexiglas atomizer model
Atomizer operation. The atomizer was
continuously operated and studied in the vertical downward position of the main axis. The test bench and the fluid
supply system description can be found thereinafter. Physical properties of the atomized liquid – light heating oil:
surface tension 0.0297 kg/s2, density 874 kg/m3, dynamic viscosity 0.0185 kg/(m.s). The air and oil supplies are
controlled separately. Twin-fluid atomizer operation conditions can be basically described by two independent
parameters. The air gauge pressure and GLR were chosen in our case. Thus other values, liquid pressure, liquid
and air flow rates, are dependent upon them. Both fluids temperatures, gauge pressure and volumetric flow rates
were measured.
Ing. Michael Landsmann, University of Technology, Technicka 2, Brno, E-mail: [email protected]
/ 59 /
Brno 2006
Combined stereoscopic PIV-PLIF system. The system lay-out is seen in Fig. 2. Double pulsed Nd:YAG
Continuum SLII-10 laser (1-3) equipped with 4th harmonic generator (2) provides two pulses of 265nm radiation
with duration of 4ns. The laser light passing through mirrors (8) is converted by a light sheet generator (6) to a
light sheet of approximately 100mm width and 2.5mm thickness, which defines the measurement plane. The light
sheet illuminates the spray in a cross section perpendicular to the spray axis in the distance 152mm from the
nozzle (4) exit. The image capture system consists of two TSI PIVCAM 13-8 cameras with Scheimpflug optics
and 28mm lenses with appropriate optical filters (5L, 5R). The cameras are arranged in a stereoscopic setup
tilted about 45° from a perpendicular view. The cameras and laser are controlled by PC (7) using synchroniser
(9). Both cameras receive two images, each from one of the laser pulses. The double images are processed with
a stereo PIV algorithm to provide a 3-component velocity vector field. A series of 256 images is recorded for each
experiment. Data acquisition and PIV processing is made using TSI Insight 3G software. The 3-D PIV system is
calibrated by a two-plane calibration target.
Fig. 2. Combined stereoscopic PIV-PLIF system
Fig. 3. Schematic layoutof experimental facility
Test bench. A schematic layout of the experimental facility is shown in Fig. 3. It consists of a gear pump (14) that
supplies light heating oil from a main fuel tank (16) through filters (15), control valves (9, 10) and flowmeters (6)
/ 60 /
Brno 2006
into the atomizer (7). A chiller (11) ensures constant oil temperature and hence also its viscosity. The
compressed air is delivered, either from the central plant, or from a two stage compressor (1), depending on the
required pressure through an air chamber (2), filters (4), control valve, check valve (5) and flowmeters (6) into the
atomizer. Spray is collected in a vessel (12) and returned to the main supply tank by the pump (13). The collector
is connected to an oil mist separator that keeps the spray zone free of aerosol but does not disturb the spray. The
gear pump (14) delivers the oil with a pressure up to 3 MPa. The fuel piping is equipped with a hydraulic shock
absorber placed in front of the atomizer. Pressure (3, 8) and temperature (17) readings are taken at the atomizer
inlets for both the fuel and air.
RESULTS
For detailed description of the vertical and horizontal two-phase flow inside the effervescent atomizer using highspeed camera see.
a)
b)
c)
Flow direction
Liquid entry
d)
Mixture discharge
Air entry
Fig. 4. Two-phase flow visualization by digital camera. Operation pressure pg=0.4 MPa, a) GLR = 0.5%, b) GLR
= 3.0%, c) GLR = 14%, d) GLR = 82%.
All measurements were performed in plane perpendicular to the nozzle axis in the distance 152 mm from the
nozzle exit. Influence of operation condition is investigated. Atomizer was operated with constant air gauge
pressure 0.2MPa with GLR varying in range of 2-50% and with constant GLR of 5% with varying air gauge
pressure in range of 0.1-0.5MPa.
Fig. 5a. Spatial distribution of mean liquid velocity, 3D vector field in perspective view, p=0.2MPa, GLR=5%.
/ 61 /
Brno 2006
Typical 3D velocity field in perspective view, averaged per 256 shots is seen on Fig. 5a. Dominant component is
the axial component (the nozzle axis is identical to the Z-axis, which is perpendicular to the measurement plane).
Averaged image of the Z-axis velocity component is seen on Fig. 5b. The maximum velocity agrees with the
spray axis. For air gauge pressure 0.2 MPa and GLR=5% it is 35m/s.
Fig. 5b. Spatial distribution of mean liquid velocity, Z-component, p=0.2MPa, GLR=5%.
Fig. 6 (left) documents radial distribution of the time-averaged (mean) liquid concentration for air gauge pressure
0.2MPa. Spray is axially symmetrical with maximum of the concentration in the nozzle axis. By reason of the
symmetry only half profiles have been plotted. The data are normalized by their respective maximum value to
enable comparison. About 90% of the liquid mass is contained in the area of 60mm in diameter in case of GLR =
2% (Fig. 6 right). Spray cone angle decreases with increasing GLR; more than 90% of liquid mass is included
inside circle with 42mm in diameter for GLR = 50%. Influence of the air gauge pressure on radial distribution of
the mean liquid concentration for GLR 5% is seen on Fig. 7. The influence of the pressure change on shape of
the concentration profile is seen mainly near the spray axis. The liquid concentration tends to decline faster in
case of low pressure. As values of the concentration near the spray axis do not affect cumulative distribution of
the mean liquid concentration strongly, the cumulative distribution does not vary largely with the air gauge
pressure changes. This is in contrast with the influence of GLR (Fig. 6, left), where spray is influenced more
significantly in larger distance from the spray axis region and also variation of the cumulative distribution with the
GLR changes is more distinct.
Fig. 6. Radial profiles of the normalized mean liquid mass concentration (left) and normalized cumulative mean
liquid mass concentration (right) for different GLR at pa=0.2MPa
/ 62 /
Brno 2006
Fig. 7. Radial profiles of the normalized mean liquid mass concentration (left) and normalized cumulative mean
liquid mass concentration (right) for different air gauge pressure at GLR = 5%
CONCLUSION
Combined stereo PIV-PLIF system is suitable for measurement of:
concentration and mass flow liquid
3D velocity
SMD
Combined stereo PIV-PLIF system will be useful instrument at research Effervescent atomizer.
NOMENCLATURE
c
GLR
M&
p
n
SMD
w
concentration
gas-to-liquid ratio by mass
mass flow rate
pressure
nuber of images
Sauter Mean Diameter
vertical velocity component
[kg/m3]
[-]
[kg/s]
[Pa]
[-]
[μm]
[m/s]
REFERENCES
[1]
]Bush SG; Sojka PE (1994) Entrainment by Effervescent Sprays at Low Mass Flowrates. Proc of the 6th
ICLASS, 609-615, Rouen, France
[2] Chin JS; Lefebvre AH (1992) Flow Regimes in Effervescent Atomization, 5th ILASS Americas, 210-214
[3] Chin JS; Lefebvre AH (1993) Flow patterns in internal-mixing, twin-fluid Atomizers, Atomization and Sprays,
Vol. 3, 463-475
[4] Chin JS; Lefebvre AH (1995) A Design Procedure for Effervescent Atomizers, J of Eng for Gas Turbines
and Power, Vol. 117, 266-271
[5] Edwards CF; Marx KD (1995) Multi-Point Statistical Structure of the Ideal Spray, Part II: Evaluating
Steadiness Using the Interparticle Time Distribution, Atomization and Sprays, Vol. 5, 475-506
[6]] Jedelsky J; Jicha M (2004) Characteristics of a Two-phase Flow Inside the Mixing Chamber of an
Effervescent Atomizer, Proc of 3rd Int Symp on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Pisa, Italy
[7] edelsky J; Jicha M (2006) Effervescent atomizer - temporal and spatial variations of spray structure.10th
ICLASS-2006, Kyoto, Japan (In press)
[8] Jedelsky J; Jicha M (2005b) Unsteadiness in Effervescent Sprays – A Comparison of Two Measurement
Methods and the Influence of Operation Conditions. SPRAY-05: Int Symp on Heat and Mass Transfer in
Spray Systems, 55-57, Antalya, Turkey. ISBN 1-56700-223-4.
/ 63 /
Brno 2006
/ 64 /
Brno 2006
DEZINTEGRAČNÝ EKOKOMPLEX NA ZHODNOCOVANIE BIOMASY
Martin Letko
Pri zhodnocovaní biomasy ako aj rôznych druhov odpadov je nevyhnutná dezintegrácia, ktorou sa upraví
surovina pred ďalším spracovaním v technologických zariadeniach. Dezintegrácia sa vykonáva na
dezintegračných strojoch rôznych konštrukcií. Cieľom príspevku je predstaviť myšlienku modulovej koncepcie
dezintegračného ekokomplexu na zhodnocovanie biomasy ako aj rôznych druhov odpadov..
Kľúčové slová: dezintegračný stroj, ekokomplex, drvič, dezintegrácia, drvenie, zhodnocovanie
ÚVOD
Na Katedre výrobnej techniky na Strojníckej fakulte STU v Bratislave pracujeme v oblasti zhodnocovania rôznych
druhov odpadov ako aj biomasy a fytomasy. Naše dlhoročné skúsenosti v tejto oblasti vyústili do myšlienky
modulovej koncepcie konštrukcie dezintegračného ekokomplexu pre zhodnocovanie rôznych druhov materiálov.
Táto myšlienka vznikla pri riešení projektov pre prax, v ktorých sme navrhovali zhodnocovanie materiálov ako sú
drevené piliny, štiepka, europalety, slama, obilný prach, rôzne druhy plastu (PET-fľaše, odstreky zo vstrekovacích
lisov ...), pneumatiky, guma a mnohé iné. Pri riešení projektov sme spočiatku navrhovali dezintegračné stroje,
z ktorých každý mal odlišnú konštrukciu. Navonok nejde o náročnú úlohu, no problémy začali vznikať pri servise
strojov, každý stroj bol zložený z komponentov, ktoré nebolo možné použiť v žiadnom inom stroji. Rovnako
náročná bola aj výroba strojov, pretože pre každý projekt bolo potrebné použiť iný typ dezintegračných strojov.
Modulová stavba dezintegračného ekokompelxu eliminuje mnohé uvedené problémov a ponúka nasledovné
výhody:
•
•
•
•
•
•
•
zníženie celkových nákladov potrebných na výrobu dezintegračného stroja a tým aj zníženie cien
jednotlivých dezintegračných strojov (výroba univerzálnych dielov pre viaceré resp. všetky stroje
umožňuje zaviesť sériovú resp. malosériovú výrobu univerzálnych súčiastok)
zníženie sortimentu súčiastok pre výrobu a montáž dezintegračných strojov použitím univerzálnych
súčiastok pre všetky stroje (v niektorých prípadoch až 70% komponentov je zhodných pre rôzne
konštrukcie dezintegračných komôr)
možnosť vypracovania softvéru a databázy komponentov, prostredníctvom ktorých by bolo možné
navrhovať konštrukciu dezintegračného stroja po zadaní požiadaviek zákazníka
software pre zostavovanie dezintegračných strojov umožňuje zavedenie CIM
zvýšenie kvality dodaného stroja
zvýšenie rýchlosti realizácie dodávky
iné
MODULOVÁ STAVBA DEZINTEGRAČNÉHO EKOKOMPLEXU
Základnou myšlienkou modulovej koncepcie konštrukcie dezintegračného ekokomplexu je vytvorenie
konštrukčných uzlov, ktoré budú na seba naväzovať v určitých stykových bodoch. Základnými konštrukčnými
uzlami tejto koncepcie sú:
•
•
•
•
•
•
•
násypka
výsypka
dezintegračná komora
stojan
pohon
periférne zariadenia
prípadne iné
Ing. Martin Letko, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám.Slobody 17, Bratislava 812 31, [email protected]
/ 65 /
Energie z biomasy V. – odborný seminář
Brno 2006
Na základe požiadaviek na dezintegráciu ako sú rozmery materiálu pred a po dezintegrácii, vlastnosti materiálu,
množstvo materiálu, ktoré je požadované dezintegrovať, prípadne iné, sú v logickom slede vyberané jednotlivé
uzly, z ktorých sa nakoniec vyskladá dezintegračný stroj.
Najväčšiu pozornosť je nevyhnutné venovať dezintegračnej komore, ktorá vytvára frakciu. Koncepcia
dezintegračného ekokomplexu uvažuje modulovú koncepciu konštrukcie dezintegračnej komory v dvoch
úrovniach:
•
•
modulová koncepcia dezintegračnej komory na úrovni rozmerov
modulová koncepcia dezintegračnej komory na úrovni konštrukčného usporiadania
Modulová koncepcia dezintegračnej komory na úrovni rozmerov znamená, že na základe požiadaviek na
dezintegráciu materiálu sa volí veľkosť dezintegračnej komory, šírka nástrojov, počet klinov na nástroji,
usporiadanie nástrojov na rotore resp. rotoroch, tvar listov stieračov, dĺžka dezintegračnej komory a pod. Pre
veľkosť dezintegračnej komory uvažujeme vytvorenie troch rozmerových radov. Napríklad v prípade dvojrotorovej
komory je možná voľba komory z rozstupom rotorov 140 mm, 240 mm a 340 mm. Pre každú hodnotu rozstupu
rotorov bude jednotná šírka a výška komory a meniť sa bude iba jej dĺžka viď obr. 1.
Obr. 1 Modulová koncepcia konštrukcie dezintegračnej komory ekokomplexu na úrovni rozmerov
Týmto je možné zvoliť dezintegračnú komoru, ktorá zabezpečí že výstupná frakcia bude spĺňať požiadavky na
dezintegráciu materiálu pri požadovanom výkone dezintegrácie.
Modulová koncepcia dezintegračnej komory na úrovni konštrukčného usporiadania znamená, že pre rôzne
druhy materiálov je možné voliť také konštrukčné usporiadanie dezintegračnej komory, ktoré zaručí spoľahlivý
proces dezintegrácie stanoveného materiálu. Ide o nasledovné konštrukčné usporiadania:
•
•
•
•
•
valcový dezintegračný stroj jednorotorový nízkofrekvenčný
valcový dezintegračný stroj viac rotorový (dvoj, troj a štvor rotorový) nízkofrekvenčný
kladivový dezintegračný stroj vysokofrekvenčný
vysokofrekvenčný granulátor
iné
Konkrétnym príkladom je dezintegrácia PET-fliaš, ktoré v prípade využitia na ťahanie textilných vlákien je
potrebné spracovať v granulátore so sitom s priemerom otvorov Ø12 mm. Iným príkladom je vytvorenie drevnej
/ 66 /
Brno 2006
štiepky v dvojrotorovom valcovom dezintegračnom stroji. Avšak iný tvar frakcie má štiepka vytvorená na
štiepkovacích dezintegračných strojoch a mnohé iné.
Pre výber optimálnej dezintegračnej komory sme vypracovali schému, ktorá slúži na výber jednotlivých
konštrukčných uzlov. V súčasnosti túto schému aktualizujeme o nové dezintegračné komory s rôznym
konštrukčným usporiadaním. Na obr. 2 je schéma modulovej koncepcie konštrukcie dezintegračného
ekokomplexu.
čné nástroje
á
dezintegračná
Výsledna
konfiguracia
dezintegračného
stroja
á
čná
ý
dezintegračný
ý
čný
Obr. 2 Modulová koncepcia konštrukcie dezintegračného ekokomplexu pre zhodnocovanie biomasy a rôznych
druhov odpadov [1,2]
ZÁVER
Cieľom modulovej koncepcie konštrukcie dezintegračného ekokomplexu je snaha vytvoriť stavebnicu, pomocou
ktorej bude možné vytvoriť dezintegračný stroj, ktorý zabezpečí spoľahlivý proces dezintegrácie na základe
požiadaviek pre zhodnocovanie daného materiálu.
[1]
[2]
JANOTA, B.: Modulová stavba drviaceho stroja. Diplomová práca. Katedra výrobnej techniky, SjF STU
Bratislava, 1988, s. 69
ŠOOŠ, Ľ.: Drvenie-proces zmenšovania objemu a homogenizácie veľkosti frakcie odpadu. In.: Úprava
odpadov. Bijo, v.z., Žilina 23.9.1998, s. 57-68
/ 67 /
Brno 2006
/ 68 /
Brno 2006
ENERGETICKÉ ZHODNOCOVANIE TUHÝCH ODPADOV – REALIZOVANÉ A RIEŠENÉ PROJEKTY
NA KATEDRE VÝROBNEJ TECHNIKY (KVT)
Martin Letko, Peter Križan
Autori chceli v tomto článku predstaviť aktivity Katedry výrobnej techniky v oblasti výskumu a riešenia projektov
a úloh z praxe v oblasti energetického zhodnocovania tuhých odpadov. Uvedené sú tu výsledky z výskumu
nových druhov materiálov vhodných na zhutňovanie, popísané sú navrhnuté konštrukcie zhutňovacích strojov
a strojov na spracovanie biomasy, a tiež sú tu popísané realizované a riešené linky na spracovanie tuhých
odpadov.
Kľúčové slová: zhutňovanie, zhutňovacie stroje, linky na spracovanie tuhých odpadov, drvič, triedič
ÚVOD
Výroba ušľachtilých biopalív je vhodnou cestou ako energeticky efektívne zhodnotiť biomasu a ďalší energetický
odpad. Palivo v 21. storočí musí okrem energetických, environmentálnych a ekonomických kritérií spĺňať aj
kritérium vysokého komfortu a bezpečnosti pri jeho spaľovaní. Moderný energonosič musí mať rovnomernú
veľkosť frakcie, hustotu, vlhkosť a vhodný tvar. Technológiami transformujúcimi biomasu do biopalív
s požadovanými vlastnosťami sú technológie zhutňovania.
Katedra výrobnej techniky sa už niekoľko rokov venuje materiálovému a energetickému zhodnocovaniu biomasy.
V predchádzajúcich rokoch sme pozornosť zamerali na vývoj strojov určených na úpravu a briketovanie biomasy.
Na katedre sme vyvinuli modulový drviaci stroj DZ 240, bubnový rotačný triedič TR 2000, modulový dopravný
a skladovací systém. V poslednom čase, v súlade s celosvetovým trendom, venujeme zvýšenú pozornosť
technológiám zhutňovania. Dôkazom toho je na katedre vyvinutý a komerčne úspešný mechanický briketovací lis
BZ 50-250. Z prebiehajúcich výskumných aktivít sú významné hlavne skúšky nového konštrukčného princípu
peletovacieho stroja, vývoj multitechnologickej konštrukcie zhutňovacieho stroja, lisovania suroviny so zvýšenou
vlhkosťou, či vývoj zhutňovacieho stroja novej generácie, produktom ktorého bude úplne nový tvar výlisku.
Narastajúci význam energetického zhodnocovania biomasy môžeme dokumentovať aj zvyšujúcim sa záujmom
zahraničných odberateľov o ušľachtilé biopalivá (brikety, pelety), ako aj rastúcim záujmom slovenskej
podnikateľskej sféry o ich produkciu. Často dostávame otázku, ktorá technológia je výhodnejšia, briketovanie
alebo peletovanie? Podať jednoznačnú odpoveď na túto otázku je veľmi ťažké, prakticky nemožné. Výber
technológie je závislý od finančných zdrojov, množstva, druhu a kvality spracovávanej suroviny, od dodávateľsko
- odberateľských vzťahov, atď. Pre konkrétneho záujemcu preto robíme expertný posudok zameraný na výber
technológie a ekonomiku budúcej výroby. Cieľom predkladaného príspevku je čiastočne popísať výskumné
aktivity v oblasti zhutňovacích strojov realizované na Katedre výrobnej techniky Strojníckej fakulty STU
v Bratislave.
VÝSKUM
Realizované výskumné aktivity na katedre môžeme rozdeliť do dvoch základných smerov, na výskum
zhutňovania nových druhov materiálov a vývoj nových konštrukcií zhutňovacích strojov.
Nové druhy zhutňovaných materiálov [1]
Našou snahou je rozšíriť existujúce technológie zhutňovania aj na nové zatiaľ nepoužívané druhy materiálov tak
pre ich následné materiálové ako aj energetické zhodnotenie. Pri vývoji nových druhov energonosičov
zameriavame svoju pozornosť okrem zhutňovania klasickej dendromasy aj na fytomasu, rašelinu, ale snažíme sa
tieto technológie aplikovať aj pri zhodnocovaní odpadov v komunálnej sfére.
Odpad z Kalifornských dážďoviek. Kalifornské dážďovky (Eisenia foetída) sa chovajú na výrobu špeciálnej zmesi
enzýmov potrebných pre výrobu naprosto čistých bielkovín. Tieto dážďovky sú pestované v špeciálnom humuse.
Tento humus obsahuje veľké množstvo živín a s výhodou je ho možné použiť ako hnojivo pre kvety. K tomu je
Ing. Martin Letko, Strojnícka fakulta STU Bratislava, Nám.Slobody 17, Bratislava 812 31, [email protected]
Ing. Peter Križan, Strojnícka fakulta STU Bratislava, Nám.Slobody 17, Bratislava 812 31, [email protected]
/ 69 /
Brno 2006
ale potrebná vhodná granulácia humusu. Z uvedeného dôvodu sa na nás obrátila firma Agrospol Železovce,
s.r.o. s požiadavkou zhutňovať humus do tvaru tyčiniek vhodných pre aplikáciu izbových kvetov.
Odpad z kakaa. Odpad z kakaa je možné zhutniť do peletiek. Takto zhutnený odpad je možné ďalej tak
materiálovo ako aj energetický zhodnocovať. Uvedený odpad sme spracovávali pre firmu Renem.
Rašelina. Jedná sa o potenciálny energetický zdroj, ktorý má veľmi podobné parametre ako hnedé uhlie.
Zhutňovanie rašeliny sme realizovali pre firmu Sloven, s.r.o. so sídlom vo Spišskej Novej Vsi. Uvedená firma
uvažuje briketovať rašelinu v Rusku a na Ukrajine a na našich briketovacích lisoch a časť z takéhoto paliva
dovážať aj na Slovensko.
Odpad z ČOV. Jedná sa o veľmi problematický odpad tak s ohľadom na jeho vlhkosť a množstvo.
V neupravenom stave sa jedná sa o kašovitý odpad s 95 - 98 % relatívnou vlhkosťou. Odpad pritom obsahuje 65
– 80 % organického materiálu. Po odstredení, tlakovom lisovaní, naviazaní na základný nosič, fermentácii
a následnom lisovaní je možné z odpadu získať alternatívne palivo s výhrevnosťou 9 – 11 MJ/ kilogram. Už prvé
experimentálne výsledky ukázali, že je to spôsob ako z odpadu možno získať vhodné alternatívne palivo.
Slama. Na Slovensku sa v súčasnosti seje pšenica asi na 800 tisíc hektároch. Z jedného hektára pritom získame
asi 4 tony pšenice a približné také isté množstvo aj slamy. Pritom táto slama nie je vhodná ani na kŕmenie ani na
podstielku dobytka. Výhrevnosť slamy je asi 14,5 MJ/Kg. Z uvedeného je zrejmé, že ide o nezanedbateľný
energetický potenciál. Pre príklad úspešného energetického zhodnotenia slamy stačí cestovať len niekoľko
kilometrov do rakúskeho mestečka Wolstahl. Na zhutňovaní slamy participujeme spoločne s SDVÚ.
Humus z Vrtivky mediterárnej. Vrtivka mediterárna je jedným z najväčších poľnohospodárskych škodcov na
svete. Inštitúcia APHIS v roku 1993 predbežne stanovila, že ročné straty spôsobené týmto škodcom v USA. by
mohli byť 1,5 miliardy dolárov. Na jej zneškodnenie bol vytvorený projekt SIT(Steril Insekt Technique). Pri tejto
metóde je škodca chovaný v umelých podmienkach, sterilizovaný a vypúšťaný do postihnutých oblastí.
Po vyliahnutí sú vajíčka umiestnené v špeciálnej zmesi zloženej z otrúb, cukru, vody, sušených pivných kvasníc a
ďalších zložiek. Výživná zmes je určená iba na jedno použitie. Likvidácia tohoto odpadu predstavuje
environmentálny ako aj ekonomický problém. Najvýhodnejším spôsobom likvidácie kašovitého odpadu vychádza
použitie technológie peletovaním.
1 – násypka,
2 – dodávaný materiál,
3 – lisovacia matrica,
4 – lisovacia komora,
5 – guľa,
6 – pravý unášač,
7 – ľavý unášač,
8 – odvod peliet,
9 – lisovací kotúč
Obr. 1 Peletovací lis s axiálno-rotačnými valcami vyvinutý na KVT
/ 70 /
Brno 2006
Nové konštrukcie lisov
Výskum nových konštrukcií zhutňovacích strojov na katedre realizujeme v šiestich základných smeroch:
Cenovo dostupná konštrukcia peletovacieho stroja. Malé a stredne veľké zhutňovacie stroje by bolo možné
nasadiť v stolárskych a drevospracujúcich podnikoch rádovo v desiatkach a stovkách kusov. Tým by si viaceré
firmy riešili problém s vykurovaním. Problémom je vysoká cena klasických peletovacích strojov. Jedným
z možných riešení novej cenovo dostupnej konštrukcie peletovacieho stroja je lis s axiálno – rotačnými valcami
vyvinutý na našej katedre. Rez lisom je znázornený na obrázku 1, [2]. V súčasnosti sme dokončili výrobu
funkčného prototypu lisu a začali sme realizovať prvé prevádzkové skúšky, obr. 2. Na funkčnom modeli sme
dosahovali výkon 25 – 40 kilogramov, a príkon 250 Wattov. Je reálny predpoklad, že prototyp vo väčšom
prevedení bude mať dostatočný výkon a bude cenovo prijateľný.
Obr. 2 Pohľad na funkčný model novej konštrukcie peletovacieho stroja
Multitechnologická konštrukcia zhutňovacieho stroja. Našou snahou je, aby sme jednoduchou výmenou lisovacej
hubice na briketovacom lise mohli vyrábať pelety. Máme vyrobenú špeciálnu peletovaciu hubicu na náš
briketovací lis BL 50-250 a v tomto období sme začali v Lehote pod Vtáčnikom a v spolupráci SDVÚ s realizáciou
prevádzkových skúšok na konkrétnej surovine – slame, [1].
Dvojkomorový briketovací lis BL 2-65-700. V roku 2001 bol vypracovaný projekt dvojkomorového prevedenia lisu
BL 2-65-700 použitím unifikovaných dielcov a podskupín z už existujúceho jednokomorového lisu BL 50-250, [3].
Výkon stroja (kg.h-1) sa zdvojnásobí, príkon lisu (kW) ale nie je dvojnásobný. Konečný cieľ projektu je
rozpracovať existujúcu konštrukciu briketovacieho lisu na modulovú stavbu s rôznymi priemermi produkovaných
brikiet (50, 55, 60, 65 mm), v jedno alebo dvojkomorovom prevedení. Výrobné náklady na lis by sa pritom znížili,
pretože až 83% dielov nezávisí od priemeru vyrábaných brikiet a počtu lisovacích komôr. Podľa požiadaviek
zákazníka by sme potom vedeli navrhnúť stroj šitý na mieru tak z hľadiska výkonu ako aj z hľadiska
požadovaného priemeru brikety. V súčasnosti ukončujeme úpravu výkresovej dokumentácie pre výrobu lisu vo
firme Vural, a.s. Žilina.
Nová konštrukcia zhutňovacieho stroja – nový tvar a rozmer výlisku. Sme presvedčený, že peleta nie je tvarovo
a rozmerovo konečným riešením moderného energonosiča. Toto presvedčenie vyplýva z vysokých nárokov na
kvalitu vstupnej suroviny a z vysokého opotrebovania lisovacích matríc pri výrobe peliet. Valec nie je optimálnym
tvarom ani z hľadiska automatizovanej dopravy paliva. Preto už dnes dokončujeme výkresovú dokumentáciu pre
výrobu funkčného modelu úplne novej konštrukcie zhutňovacieho stroja [4].
/ 71 /
Brno 2006
Obr 3 Schéma kompaktora a 3D modelu stroja pre
optimálny tvar výlisku s fázou výdrže [5]
Obr. 4 Prstencový lis - 3D model [4]
Na obr. 3 je vidieť ďaľšiu novú konštrukciu zhutňovacieho stroja, pri ktorom sa tiež uvažuje s výrobou peletiek
ktoré budú mať tvar prieniku dvoch valcov. Ide o kompaktor s fázou výdrže navrhnutý na KVT.
Protibežná konštrukcia závitovkového lisu. U bežných jednostranných závitovkových lisov (napr. systém
Pini & Kay) je nepopierateľný fakt extrémne vysokého axiálneho zaťaženia ložísk závitovky a samotné vysoké
opotrebenie závitovky. Závitovkové lisy majú celý rad výhod (kontinuálne vytláčanie brikety, vysoký stupeň
zhutnenia), pre ktoré je dobré zaoberať sa ich ďalším vývojom. V roku 2002 bola preto na katedre vypracovaná
prvá štúdia závitovkového briketovacieho lisu s protibežným vytláčaním brikety (obr. 6), [7]. Pri protibežnom
spôsobe závitovkového briketovania sa predpokladá eliminácia vysokého zaťaženia ložísk závitovky. Kľúčom
k úspechu riešenia celého problému bude vyriešenie extrémneho opotrebovania pracovnej závitovky lisu.
Z uvedeného dôvodu kladieme zvláštny dôraz na materiálovú, konštrukčnú a rozmerovú optimalizáciu pracovnej
závitovky, [6]. Vývoj v tejto oblasti orientujeme na optimalizáciu rozmeru závitovky, na hľadanie vhodného
materiálu, či povrchovej úpravy alebo na možnosť návrhu skladanej konštrukcie závitovky (obr. 5), pri ktorej
počítame s jednoduchou výmenou rýchlo sa opotrebovateľnej časti.
Obr. 6 Koncepcia protibežnej konštrukcie
závitovkového briketovacieho lisu
Obr 5 Konštrukcia skladaného nástroja – závitovky
PROJEKTY LINIEK NA ZHODNOCOVANIE TUHÝCH ODPADOV
Doposiaľ sme realizovali projekty na 13 liniek na briketovanie drevného odpadu. V uvedenom počte je deväť
realizácií na Slovensku, dve v Estónsku a po jednej v Českej republike a v Maďarsku. U nás sú to linky pre firmu
LANDR v Pezinku, IMEKO Malacky, EXCELLENT Bratislava, KÉRI Trnava, NORBA Prievidza, DEFEKTOSPOL
Údavské, Obecný podnik Lehota pod Vtáčnikom, COLORSPOL Novoť, EKOMIX-NATÚRPRODUKT Vrbové.
V Estónsku sme projektovali dve linky pre firmu KRK Moigu v Tabasalu, v Českej republike pre firmu
DŘEVOTERM v Náchode a v Maďarsku pre firmu GUEM v Salgotarjane. V tomto roku pribudli ďalšie
technologické linky, ktoré už produkujú brikety alebo pelety alebo sú krátko pred spustením prevádzky.
/ 72 /
Brno 2006
PATEX, Bratislava
Technologická linka pre firmu PATEX je určená pre briketovanie papierového odpadu. V technologickej linke je
inštalovaný briketovací lis BL 50-250, ktorý bol vyvinutý na našom pracovisku. Linka je dimenzovaná na 350 kg
brikiet za hodinu. Prevádzka je umiestnená v Ivanke pri Dunaji v blízkosti Bratislavy. Pri spúšťaní linky sa vyskytli
problémy so zásobníkom dezintegrovaného papiera. Rozhrabávač, ktorý je súčasťou zásobníka nedokázal
podávať materiál do plniacej závitovky briketovacieho lisu. Táto závada bola krátko po spustení odstránená
a linka dnes bez problémov funguje.
Obr. 7 Projekt pre firmu PATEX, Bratislava
JUGI, Lučenec
Technologická linka pre firmu JUGI, Lučenec bola navrhnutá na briketovanie a peletovanie drevených pilín.
V linke sú inštalované dva briketovacie lisy BL 50-250 a peleteovcí lis od firmy STOZA. Linka v súčasnosti
produkuje 700 až 800 kg brikiet za hodinu a približne 800 kg peletiek za hodinu. Táto technologická linka je
jedinečná v tom, že bola prvou na Slovensku, ktorá briketuje aj peletuje.
/ 73 /
Brno 2006
Obr. 8 Projekt pre firnu JUGI, Lučenec
LES, s.r.o. Trenčín
Technologická linka pre firmu LES, s.r.o. Trenčín bola dimenzovaná na briketovanie a peletovanie drevený pilín
s produkciou 800 kg brikiet za hodinu a 800 kg peletiek za hodinu. Linka je v súčasnosti v realizácii.
Obr. 9 Projekt pre firmu LES, s.r.o. Trenčín
KOVOD Recycling, Banská Bystrica
Technologická linka pre firmu KOVOD Recycling, Banská Bystrica bola dimenzovaná na produkciu 5000 kg
peletiek zo hodinu v prvej etape a 10 000 kg peletiek za hodinu v druhej etape. Linka je v realizácii, predpokladá
sa, že linka bude uvedená do skúšobnej prevádzky začiatkom roka 2007. Linka je jedinečná v tom, že ide
o najväčšiu linku na výrobu peletiek v regióne Vyšegráckej štvorky.
/ 74 /
Brno 2006
ZÁVER
Uvedené stroje a technologické linky sú dôkazom, že našou snahou je aplikácia vyvinutých zariadení do
praktických podmienok, kde sa stroje skúšajú v reálnych podmienkach.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Projekt vedy a výskumu číslo: 2003 SP 26 028 0C 04. Technológia výroby a zariadenie na výrobu
modifikovaného energonosiča. Bratislava December 2003, 84 s. Zodpovedný riešiteľ: ŠOOŠ, Ľ.
GRMAN, M.: Nová konštrukcia peletovacieho stroja. [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU
v Bratislave, 2001, 68 s.
RIEGEL, T.: Dvojkomorový briketovací lis [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU
KRÍŽIK, M.: Nová konštrukcia peletovacieho stroja. [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU
MATÚŠ, M.: Progresívna konštrukcia zhutňovacieho stroja [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky
SjF STU v Bratislave, 2006, 112 s
ÁRVAY, J.: Briketovací stroj novej koncepcie [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU
HYŽA, J.: Peletovací stroj novej generácie [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU
/ 75 /
Brno 2006
/ 76 /
Brno 2006
VLIV PŘÍDAVNÉHO SPALOVÁNÍ ČISTÍRENSKÉHO KALU S ČERNÝM UHLÍM NA REDISTRIBUCI
TĚŽKÝCH KOVŮ V PRODUKTECH SPALOVÁNÍ
Pavel Milčák, Pavel Kolat, Lukáš Pilař
Příspěvek se zabývá problematikou přídavného spalování čistírenského kalu společně s černým uhlím na
fluidním kotli s cirkulující fluidní vrstvou. Pozornost je zaměřena zejména na množství těžkých kovů a stopových
prvků vstupujících do spalovacího zařízení a dále také na jejich redistribuci do produktů spalování, v tomto
případě do ložového popela, filtrového popílku a do emisí.
Klíčová slova: přídavné spalování, těžké kovy, čistírenský kal
ÚVOD
Během spalování se do spalovací komory dostávají společně s palivem i těžké kovy a stopové prvky, které
přecházejí do pevných produktů spalování (popel, popílek) a do plynných emisí. Dosavadní výzkumy v této
oblasti ukazují, že většina těžkých kovů má tendenci koncentrovat se na jemných částicích popílku a tuhých
částicích emisí. Během spalování dochází tedy k jejich redistribuci mezi produkty spalování. V závislosti na
fyzikální a chemické formě výskytu v palivu, těkavosti kovů, podmínkách ve spalovací komoře a transformačních
mechanismech mohou těžké kovy opouštět ohniště ve formě par, jako část submikronových aerosolových částic
nebo jako součást velkých supermikronových částic.
Vzhledem k obrovskému množství produktů spalování, které je každoročně produkováno a také z důvodů
potenciální ekologické závažnosti těchto materiálů, je velká pozornost věnována právě problému redistribuce
těžkých kovů a stopových prvků mezi jednotlivé produkty spalování.
Řada prací, zabývajících se právě chováním prvků při spalování ukázala, že je možné klasifikovat studované
prvky do tří základních skupin v závislosti na jejich těkavosti (volitalizaci) viz obrázek Obr. 1.
Teplota varu:
F
Cl
Se
SeO 2
Hg
As 2 O3
As
MoO3
Zn
Sb2 O3
B 2 O3
CoO
Mn
Cu
Ni
Co
Cr 2 O3
Mo
-188,1 °C
-34,1 °C
217 °C
317 °C
357 °C
465 °C
613 °C
795 °C
907 °C
1155 °C
1800 °C
1800 °C
1960 °C
2570 °C
2730 °C
2870 °C
3000-4000 °C
4660 °C
Hg
Br
Cl
F
B
Se
I
Skupina 3
As Cd Ga Ge Pb Sb
Sn Te Tl Zn
Skupina 2
Ba Be Bi Co
Cr Cs Cu Mo
Ni U V W
Roste
těkavost
Skupina 1
Hf
La
Mn Rb
Sm Th
Sc
Zr
Obr. 1 Klasifikace prvků podle jejich chování během spalování [1]
Ing. Pavel Milčák, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, CZ-70833 Ostrava – Poruba, [email protected]
/ 77 /
Brno 2006
Prvky skupiny 1 (Hf, La, Mn, Rb, Sc, Sm, Th, Zr) mají tendenci vázat se na hrubších částicích popela nebo bývají
rovnoměrně rozděleny mezi produkty spalování a mezi částice různých velikostí. Tyto pevné částice pak bývají
s vysokou účinností zachycovány v elektroodlučovačích, tkaninových filtrech, cyklonech, atd. Jde o typické litofilní
prvky. Prvky skupiny 2 (As, Cd, Ga, Ge, Pb, Sb, Sn, Te, Tl, Zn) vykazují těkavé chování ve spalovací komoře, ale
kondenzují při dalším průchodu spalinovým traktem. Z tohoto důvodu bývají často nabohacené na jemnozrnných
částicích. Pro tyto prvky je typický chalkofilní charakter. Skupina 3 obsahuje nejtěkavější prvky (Hg, Br, Cl, F),
které jsou tedy ochuzeny ve všech pevných produktech. Tyto prvky mohou dokonce zůstat v plynné fázi i při
průchodu zařízením na odlučování popílku, a mohou tedy unikat do atmosféry ve větší míře než ostatní prvky.
Zdaleka ne všechny prvky vykazují jednoznačné chování během spalovacího procesu, a tudíž nebylo snadné
zařadit je pouze do uvedených tří skupin. Např. Ba, Be, Bi, Co, Cr, Cs, Cu, Mo, Ni, U, V a W vykazují přechodné
chování mezi skupinou 1 a 2, zatímco B, Se a I spíše mezi 2 a 3 skupinou. Proměnlivost chování těchto prvků je
dána především výraznou závislostí jejich redistribuce na procesních parametrech spalování či na typu
spalovaného paliva [3].
Mezi hlavní faktory ovlivňující redistribuci těžkých kovů v produktech spalování patří:
-
Teplota a tlak ve spalovací komoře
Forma výskytu těžkých kovů v palivu
Obsah chloru a síry v palivu, vlhkost paliva
Obsah kyslíku ve spalinách (tzn. oxidační nebo redukční podmínky spalování)
Doba setrvání částic v ohništi
Jedním z faktorů, jenž ovlivňuje množství emisí těžkých kovů je také typ spalovacího zařízení, na němž je palivo
spalováno. Tak například při spalování ve fluidní vrstvě je dosahováno nižších spalovacích teplot a tím se snižuje
těkavost kovů. K dalšímu faktoru ovlivňujícímu emise těžkých kovů u ohnišť s fluidní vrstvou je velikost částic
paliva, která je vyšší než u ohnišť spalujících palivo v práškové formě. Dále může ve fluidním kotli docházet
k absorpci kovů do aditiva, které ve většině případů tvoří jemně mletý vápenec.
POPIS SPALOVACÍHO ZAŘÍZENÍ
Spalovací experiment se uskutečnil na kotli s cirkulující fluidní vrstvou o jmenovitém výkonu 160 t.h-1 (130 MWt).
Schéma dopravy paliv do kotle, dopravy vápence, schéma odběrů ložového popela, popílku z elektroodlučovačů
a schéma pro analýzu spalin je zobrazeno na Obr. 2. Podrobný popis spalovacího zařízení včetně dopravy paliv
do kotle je uveden v [2].
MERENÍ CO, SO2,
NOx ,TZL, TOC
HCl, HF
Obr. 2 Zjednodušené schéma spalovacího zařízení
/ 78 /
Brno 2006
POPIS PALIV
Na fluidním kotli se jako základní palivo spaluje směs černého energetického uhlí a proplástku. Pro odsiřování
spalin je do spalovací komory přidáván jemně mletý vápenec. K základnímu palivu se při spalovací zkoušce do
proudu proplástku přidával anaerobně stabilizovaný, hygienizovaný čistírenský kal v hmotnostním poměru 11 %,
přičemž za dobu trvání experimentu přídavného spalování (9 hod.) se na kotli spálilo přibližně 23 tun kalu.
Tabulka Tab. 1 obsahuje hrubý rozbor, elementární rozbor hořlaviny a dále také obsahy vybraných těžkých kovů
a stopových prvků v jednotlivých palivech. Z tabulky Tab. 1 je patrný rozdíl mezi spalovaným uhlím a čistírenským
kalem, zejména v nízké výhřevnosti a ve vyšších koncentracích těžkých kovů a stopových prvků u čistírenských
kalů.
Tab. 1 Analýzy paliv
Energet. uhlí
Proplástek
Kal
10,23
24,77
18,854
6,22
31,78
18,962
62,36
19,52
1,476
82,7
5,42
0,48
1,79
9,61
85,21
5,08
0,33
1,84
7,55
46,72
7,22
1,31
4,99
39,75
Energet. uhlí
Proplástek
Kal
<1,7
<1
15,9
40,9
23,4
<20
23,8
5,3
0,9
3,95
60,2
28,2
0,9
<3
38,7
12,7
147
5
3,05
8,55
2,25
<1,7
<1
17,5
46,9
42,4
<20
24,8
3,9
0,8
1,8
66,8
41,5
0,8
<3
59,9
19,6
110
5,9
2,9
11,5
1,5
1,7
1,5
41,6
119
144
<20
49,7
11
20,4
<0,8
55
1820
20,4
1340
26,2
7,6
176
15,5
23,4
3,1
1,5
Hrubý rozbor - surový stav:
wr
[%]
Ar
[%]
Qir
[MJ.kg-1]
Elementární analýza:
C
H
S
N
O
[%, daf.]
[%, daf.]
[%, daf.]
[%, daf.]
[%, daf.]
Hg
Cd
Pb
Cr
Cu
Co
Ni
As
Se
Sb
V
Zn
Se
I
Rb
Y
Sr
Br
Sn
Ga
Ge
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
[mg.kg-1 sušiny]
POPIS EXPERIMENTU
Pro stanovení redistribuce těžkých kovů a stopových prvků mezi produkty spalování se provedly dvě spalovací
zkoušky. Při první zkoušce se spalovalo pouze 100 % černé uhlí, při druhé zkoušce se spalovala směs 89 %hm.
uhlí + 11 %hm. kal. V tabulce Tab. 2 jsou uvedeny základní parametry jednotlivých experimentů
/ 79 /
Brno 2006
Tab. 2 Základní parametry při experimentu
Tepelný výkon kotle
Účinnost kotle
Příkon kotle
Výhřevnost paliva
Celkový hmotnostní tok paliva
- energetické uhlí
- proplástek
- čistírenský kal
[MW]
[%]
[MW]
[MJ.kg-1]
[kg.s-1]
[kg.s-1]
[kg.s-1]
[kg.s-1]
Popelovina vstupující do kotle
Vlhkost, vstupující do kotle
[kg.s-1]
[kg.s-1]
100 % hm. uhlí
89 % hm. uhlí + 11 % hm. kal
97
89,8
108,0
18,93
5,7
1,6
4,1
0
97
89,5
108,4
17,01
6,3
1,7
3,9
0,7
1,7
0,4
1,8
0,8
Ze znalosti výše uvedených parametrů a obsahu těžkých kovů a stopových prvků se stanovil přírůstek
hmotového toku těžkých kovů vstupujících do spalovacího zařízení. Na obrázku Obr. 3 je znázorněn procentuální
nárůst koncentrace studovaných prvků (v jednotkách mg.kg-1) při přídavném spalování čistírenského kalu oproti
spalování čistého uhlí. Již z tohoto obrázku je patrný dominantní nárůst jodu, selenu, cínu a zinku, avšak tento
obrázek nerespektuje tu skutečnost, že při přídavném spalování kalu je příkon v palivu vyšší, než při spalování
čistého uhlí (viz. Tab. 2). Pro lepší názornost se stanovilo skutečné množství sledovaných prvků vstupující do
spalovacího zařízení za časovou jednotku. Na obrázku Obr. 4 je tedy znázorněn procentuální nárůst hmotnostní
koncentrace těžkých kovů (v jednotkách kg.s-1) při přídavném spalování čistírenského kalu oproti spalování
čistého uhlí. Obrázek Obr. 4 tedy respektuje vyšší hmotností tok paliva do spalovacího zařízení a ukazuje
skutečný přírůstek sledovaných prvků při spalovací zkoušce. Nejvýraznější je zde opět nárůst hmotového toku
jodu, zinku, cínu a selenu, vzhledem k výrazně vyšším koncentracím těchto prvků právě u čistírenského kalu,
avšak nelze opomenout ani zhruba desetiprocentní nárůst toxických kovů jako jsou arsen, chrom, olovo, nikl a
brom.
100
90
80
procentní přírůstek TK v mg.kg-1 [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
V
Cr
Ni
Cu
Pb
I
As
Rb
Y
Sr
Br
Se
Sn
Zn
Ga
Ge
-10
-20
Obr. 3 Přírůstek vybraných prvků na vstupu do spalovacího zařízení vztažený na jednotku mg.kg-1paliva
/ 80 /
Sb
Brno 2006
100
90
80
procentní přírůstek TK v kg.s-1 [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
V
Cr
Ni
Cu
Pb
I
As
Rb
Y
Sr
Br
Se
Sn
Zn
Ga
Ge
Sb
-10
-20
Obr. 4 Přírůstek vybraných prvků na vstupu do spalovacího zařízení vztažený na jednotku kg.s-1
REDISTRIBUCE TĚŽKÝCH KOVŮ A STOPOVÝCH PRVKŮ MEZI PRODUKTY SPALOVÁNÍ
Pro porovnání redistribuce sledovaných prvků mezi produkty spalování byl vypočten redistribuční koeficient RPi.
Tento redistribuční koeficient vyjadřuje procentuální podíl prvku, který byl buď mechanicky transportován
(nejčastěji ve formě nejjemnějších částic popela) nebo skutečně vytěkal (zůstal v plynné formě v emisích)
z původního prvku vstupujícího do spalovacího zařízení.
100
90
80
70
RPi [%]
60
50
40
30
20
10
0
Rb
Ge
Ga
Ni
Y
Pb
Zn
Cr
Cu
100%uhli
Obr. 5 Redistribuce sledovaných prvků
/ 81 /
Sr
89%uhli+11%kal
V
Sn
As
Sb
Se
I
Br
Brno 2006
ZÁVĚR
Pro obě spalovací zkoušky byly vypočteny redistribuční koeficienty RPi a výsledky jsou zobrazeny v obrázku Obr.
5. Výsledky ukazují, že nejnižší redistribuční koeficient vykazuje rubidium, zatímco nejvyšší redistribuční
koeficienty byly zjištěny u bromu, jodu a selenu, což je ve shodě s předpokládanou nízkou volitalizací rubidia a
naopak s vysokou volitalizací bromu, jodu a selenu. Z obrázku Obr. 5 je zřejmé, že při přídavném spalování
čistírenského kalu je u všech prvků (kromě galia) vyšší redistribuční koeficient. Znamená to tedy, že při
přídavném spalování přechází větší část prvků do úletového popílku a do emisí.
PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek vznikl za podpory INTERNÍHO GRANTU FAKULTY STROJNÍ, grantu GAČR 101/03/H064 „ENERGIE
Z BIOMASY“a MSM 6198910019 „DeCOx PROCESSES.
[1] COUCH, G.R (1995): „Power from coal – where to remove impurities“, IEA Coal Research, report
IEACR/82, London.
[2] KOLAT, P., MILČÁK, P. (2006): Co-firing of sewage sludge and hard coal in the circulating fluidized bed
boiler., 10th INTERNATIONAL CONFERENCE ON BOILER TECHNOLOGY 2006, Prace IMiUE
Politechniki Slaskiej. Sczyrk, Poland 2006, Tom 2, str. 137-152. ISBN 83-918568-4-4.
[3] BARTOŇOVÁ, L. (2002): Distribuce prvků při spalování uhlí v elektrárnách s cirkulující fluidní vrstvou.
Disertační práce. VŠB-TU Ostrava, FMMI, 172 s.
/ 82 /
Brno 2006
TEPELNÁ BILANCE VYSOKOTEPLOTNÍHO FILTRU
Jiří Moskalík, Richard Borbely, Jan Bogdalek
Práce pojednává o fluidním zplyňování biomasy, konkrétně čištěním plynu produkovaného experimentálním
zařízením BIOFLUID. Práce se soustředí především na metodu filtrování plynu přes vysokoteplotní katalytický
filtr. Hlavním cílem je výpočet tepelné bilance a zjištění velikosti tepelných ztrát vysokoteplotního filtru. A na
základě toho navrhnout metody a opatření ke zlepšení funkce filtru. Některé metody, jako je částečné spalování
plynu ve vysokoteplotním filtru, jsou zde prakticky ověřeny experimentem.
Klíčová slova: zplyňování biomasy, katalytické čištění, vysokoteplotní filtr, částečné spalování
ÚVOD
V současné době se energetické odvětví soustředí na zvyšování podílu obnovitelných zdrojů ve svojí výrobě.
V podmínkách České republiky využívání hydroelektráren již dosáhlo svého limitu a co se týče větrných
elektráren nelze zaručit stabilní dodávky energie, proto je za nejperspektivnější obnovitelný zdroj u nás
považována biomasa.
Nejrozšířenější možností využití alternativních paliv je jejich spalování s přímým využitím tepla nebo výroby páry
a s použitím parní turbíny vyrábět elektrickou energii. Využívání nejen biomasy ale i ostatních paliv se
v posledních letech zaměřuje na kombinovanou výrobu elektřiny a tepla (teplárny a kogenerační jednotky). Tyto
provozy mají nejvyšší účinnost a získaná energie by měla být nejekonomičtější. Další možností je zplyňování
biomasy a odpadů a využívání takto vzniklého plynu jako alternativního paliva pro plynem poháněné motory nebo
plynové turbíny. Samozřejmě v obou případech musí být splněny konkrétní požadavky na kvalitu, ekonomičnost a
ekologické limity celého provozu. Proto je nutné tyto zdroje zkoumat a dále rozvíjet technologie využívající těchto
zdrojů. K tomu by měla alespoň trochu přispět i tato práce.
POPIS EXPERIMENTÁLNÍHO ZAŘÍZENÍ
Pro výzkumnou činnost v oblasti čištění plynu bylo
v roce 2000 realizováno experimentální zařízení
s fluidním atmosférickým zplyňovacím generátorem o
tepelném výkonu 100 [kW]. Na zařízení probíhala
v minulosti řada experimentů se zplyňováním různých
druhů biomasy a separovaných odpadů. Průměrná
výhřevnost produkovaného plynu se pohybuje
v rozmezí 4-7 [MJ/mn3], obsah tuhých částic v intervalu
1500-2800 [mg/mn3] a obsah dehtů od 1 do 8 [g/mn3]
v závislosti na použitém palivu a provozních
podmínkách.
V roce 2004 byl za zplyňovací generátor instalován
vysokoteplotní, kontinuálně pracující, katalytický filtr se
sesuvným ložem dolomitu (dále jen HKF). Od počátku
byl návrh HKF směřován k vývoji plně funkční
průmyslové aplikace. Teploty ve filtru se přibližně
rovnaly teplotám ve zplyňovacím generátoru a byly
udržovány elektrickým vytápěním. HKF je hlavním
předmětem této práce, proto na něj bude dále
zaměřena pozornost. [1]
Obr. 1 Experimentální zařízení BIOFLUID 100
Ing. Jiří Moskalík,Vysoké učení technické v Brně, Technická 2, 616 96 , [email protected]
/ 83 /
Brno 2006
HKF je rozdělen na 4 části, z nichž horní tři jsou vybaveny elektrickým topením. Ve spodní části se nachází
otočný rošt, který zajišťuje vyhrnování pasivovaného katalyzátoru. Rošt má na horní kuželové ploše i na spodní
rovné ploše evolventní žebra. Žebra na horní kuželové ploše jsou orientována tak, aby zabezpečovala pohyb
katalyzátoru směrem k obvodu reaktoru, žebra na spodní části zajišťují pohyb katalyzátoru ke středu reaktoru.
Tímto způsobem je zajišťováno, aby prach s dehty nezpůsoboval klenbu katalyzátoru, protože v okolí rotačního
roštu je rozrušování náplně nejintenzivnější. Ložisko roštu je chlazeno vodou, pohon roštu se děje náhonem
s kuželovým ozubením.
Spodní čtvrtina reaktoru není otápěna, protože teplota 950 ºC je příliš vysoká, takže by i při použití kvalitních
žárupevných materiálů (17 255) mohlo dojít k deformaci roštu. Přívod vzduchu je proveden ve třech úrovních.
Která z nich je optimální bude rozhodnuto na základě provedených experimentů (ostatní budou zaslepeny).
Obr. 2
Fotografie a odpovídající schéma horkého katalytického filtru.
OBECNÁ TEPELNÁ BILANCE HORKÉHO KATALYTICKÉHO FILTRU
Jedná se o první přibližný bilanční výpočet stávajícího zařízení vycházející z naměřených hodnot. Pro
zjednodušení uvažujeme filtr jako uzavřenou soustavu, která má několik energetických vstupů a výstupů
souvisejících s provozem zařízení (viz schematický nákres obr.2.). Tato soustava samozřejmě není dokonale
zaizolovaná, tudíž zde dochází k tepelným ztrátám.
Cílem bilančního výpočtu je určit jaké množství tepla prochází jednotlivými vstupy a výstupy a kolik tepla se ztrácí
do okolí, nebo kolik se jej spotřebuje na kalcinační reakce. Data pro výpočet bilance byla získána měřením
během experimentu ze dne 27.10.2005. Na základě vyhodnocení experimentu byly navržený provozní úpravy za
účelem snížení spotřeby otopných těles. Tato práce byla zaměřena na metodu přitápění částečným spálením
produkovaného plynu v HKF. S cílem zjistit k jakému dojde poklesu výhřevnosti vlivem spálení částí
produkovaného plynu. Výpočtené hodnoty poklesu výhřevnosti byly experimentálně ověřeny experimentem dne
3.5.2006.
/ 84 /
Brno 2006
Obr. 3 Znázornění tepelných toků HKF pro výpočet tepelné bilance s uvažováním přisávání vzduchu do HKF.
1. Energie obsažená v plynu vstupující do filtru. Jedná se o energetický obsah plynu ve formě tepelné
energie v plynu obsažené (ne výhřevnost).
2. Energie vstupující do HKF při dosypávání čerstvého nekalcinovaného dolomitu, jedná se o teplo
obsažené fyzicky v dosypávaném materiálu.
3. Pomocné přitápění elektrickými odporovými ohříváky slouží pro zahřátí HKF na provozní teplotu a na
stabilizaci katalytického čištění. Množství dodané energie bude určeno ze zápisu z elektrických hodin
během pokusu.
4. Energie vystupující z filtru ve formě tepla obsaženého ve vyfiltrované plynné směsi.
5. Teplo odcházející z HKF při vyroštování zaneseného dolomitu (již kalcinovaný). Jedná se o teplo fyzicky
obsažené ve hmotě dolomitu.
6. Teplo spotřebované na kalcinaci obměňovaného dolomitu (je doplńován nekalcinovaný dolomit)
7. Teplo fyzicky přítomné v přisávaném vzduchu (tento vstup se uvažoval až při vyhodnocování pokusů
s částečným spálením produkovaného energo-plynu)
POKLES VÝHŘEVNOSTI
Vlivem přisávání vzduchu a částečnému spalování hořlavých složek plynné směsi dochází ke znatelnému
poklesu výhřevnosti produkovaného plynu. Vyhodnocením měření ze dne 3.5.2006 by mělo dojít k porovnání
s teoretickými výpočty na základě dat získaných při měření ze dne 27.10.2005. Toto měření nebylo možno takto
přesně zpracovat, protože nebylo k dispozici složení plynu vzniklého při provozu s částečným spalováním
produktu. Výpočtově je velmi složité určit složení, proto bylo nutné z odebraných vzorku zjistit složení.
Tab. 1 Porovnání poklesu výhřevnosti vlivem částečného spalení produkovaného plynu při různých množstvích
přisávaného vzduchu
Shrnutí
VSTUP
VÝSTUP
Výhřevnost při
1.variantě
(bez přisávání)
4889,381
5242,338
Výhřevnost při
2.variantě
(2m3/hod+el)
5382,508
4699,685
Výhřevnost při
3.variantě
(4m3/hod+el)
4260,002
2853,569
Výhřevnost při
4.variantě
(4m3/hod)
4197,323
2925,433
Hlavní příčinou poklesu výhřevnosti při částečném spalování produkovaného plynu v HKF je naředění produktu
dusíkem obsaženým v přisávaném vzduchu. Dále se na poklesu výhřevnosti podílejí produkty spalování vzniklé
stále podstechiometrickým spálením části hořlavých složek obsažených v plynné směsi. Vlivem těchto dvou
faktorů dochází k výrazné degradaci produkovaného plynu, což značně snižuje možností jeho dalšího využití.
Změny koncentrací jednotlivých složek jsou přehledně shrnuty v následující tabulce (tab. 2 – Tabulce jsou
zobrazeny pouze koncentrace změřené na výstupu z HKF, složení na vstupu zůstávalo díky stabilnímu
provoznímu režimu víceméně neměnné ). Pro výpočty byly použity jako zdroj dat tabulky [ 2 ] a [ 3 ].
/ 85 /
Brno 2006
Tab. 2 Střední hodnoty složení produkovaného plynu na výstupu z HKF v konkrétních povozních nastavení
BIOFLUIDU (* hodnota je vypočítána s hmotnostní bilance vstupujícího a vystupujícího plynu)
čas
14-15 [hod]
15-16 [hod]
16-17 [hod]
17-18 [hod]
Sloučenina
[%]
[%]
[%]
[%]
CO2
12,6036
17,4939
20,5349
19,625
H2
14,8169
11,8401
8,3473
8,447
CO
17,3257
15,1030
9,1970
9,218
CH4
3,2654
3,0958
1,6602
1,825
N2
50,9499
51,3225
59,2984
59,915
Ar*
0,6184
0,6067
0,7018
0,709
ethylen
0,3596
0,3788
0,1952
0,191
benzen
0,0342
0,0999
0,0493
0,047
toluen
0,0099
0,0054
0,0025
0,003
ostatní
0,0162
0,0536
0,0133
0,019
Suma
100,0000
100,0000
100,0000
100,0000
5242,3
4699,7
2853,6
2925,4
Výhřevnost[kJ/m3N]
ROZLOŽENÍ TEPELNÝCH TOKŮ PŘES HKF
S uvažováním elektrického přitápění (skutečný stav):
Jedná se o tepelný přebytek dodávaný soustavě, která už nezvyšuje svoji teplotu, tudíž teplo neakumuluje, takže
tohle teplo musí být ztráta do okolí. Zde je patrné kolik energie tvoří ztráta zařízení způsobená nedokonalostí
izolace a vyzařováním tepla do okolí.
⎡ kJ ⎤
ΔQ& A = Q& VST1 + Q& VST2 + Q& EL − Q& VÝST4 − Q& VÝST5 − Q& kalc ⎢
⎣ hod ⎥⎦
⎡ kJ ⎤
ΔQ& A = 6724,33 + 64,506 + 39600 − 17038,93 − 2488,46 − 8298,16 = 18563,3⎢
⎣ hod ⎥⎦
Bez uvažování elektrického přitápění (teoretický stav):
Zde je patrné jaká tepelná energie by chyběla dokonale zaizolované soustavě (beze ztrát do okolí), kdyby neměla
elektrické přitápění. Z toho plyne, že tohle teplo odchází z filtru vlivem velkého ohřátí relativně studeného vstupu
plynu(352,3°C) na celkem vysokou výstupní teplotu plynu(761,2°C). Analogicky platí též pro obměňovaný
dolomit ve filtru, kde je ještě nutno odečíst teplo potřebné na kalcinaci dosypávaného množství dolomitu.
/ 86 /
Brno 2006
⎡ kJ ⎤
ΔQ& B = Q& VST1 + Q& VST2 − Q& VÝST4 − Q& VÝST5 − Q& kalc ⎢
⎣ hod ⎥⎦
⎡ kJ ⎤
ΔQ& B = 6724,33 + 64,506 − 17038,93 − 2488,46 − 8298,16 = − 21036,7 ⎢
⎣ hod ⎥⎦
Vypočtené hodnoty se týkají experimentálního měření ze dne 27.10.2005 u něhož se metoda částečného
spalování plynu neměřila, byla pouze teoreticky spočtena pro měřený provozní stav. Až z měření ze dne
3.5.2006, je patrný pokles spotřeby el. energie topných těles. Chybějící teplo nahrazeno částečným spálením
produkovaného plynu. Byly zkoušeny 4 následující provozní nastavení HKF:
1)
2)
3)
4)
Bez částečného spalování, pouze s el. přitípěním…………………spotřebovaná el.en. 16[kWh]
S přisáváním 2[m3vzd/hod] , el. přitápění zapnuto………………......spotřebovaná el.en. 15[kWh]
S přisáváním 4[m3vzd/hod] , el. přitápění zapnuto…………………..spotřebovaná el.en. 12[kWh]
S přisáváním 4[m3vzd/hod] , el. přitápění vzpnuto…………………...spotřebovaná el.en. 0[kWh]
40000
30000
20000
10000
Dodané
teplo (kJ/hod)
0
-10000
-20000
-30000
1
2
3
4
Provozní režimy
s uvažováním el.přitápěním
bez uvažování el.přitápění
Obr. 4 Znázornění rozložení tepelných toků přes HKF v jednotlivých zkoumaných provozních režimech.
ZÁVĚR
Přitápění může tedy reálně pokrýt pouze nějakou část tepelných ztrát, aby nedocházelo k tak výraznému poklesu
výhřevnosti. Pro ověření se uskutečnil experiment, který v podstatě potvrdil závěry postavené na základě
teoretického výpočtu. A také, že nelze tímto jediným opatřením nelze toto zařízení otápět na provozní teplotu,
pokud nedojde ke snížení tepelných ztrát. Proto je nezbytné provést celou řadu technických opatření pro úspěšné
vylepšení celé technologie čištění produkovaného plynu. Nezanedbatelný vliv má také nízká teplota vstupujícího
plynu (cca 350°C). U reálných zařízení se tato teplota pohybuje okolo 750°C, čímž se podstatně sníží množství
tepla potřebného k ohřevu plynu.
Na závěr snad lze uvést několik jednoduchých návrhů na technickou realizaci snížení tepelných ztrát na
experimentálním zařízení. Například důsledněji zaizolovat přívod plynu i samotný HKF, aby nebylo nutné dodávat
takové množství tepla uvnitř filtru. Nebo nejlépe integrovat zplyňovací reaktor společně s vysokoteplotním filtrem
do jedné jednotky. Sníží se tak styčná plocha s okolím a tím i hodnoty vyzařovaného tepla do okolí.
Další možností by bylo na výstupu z katalytického filtru instalovat zařízení pro zpětné získávání tepla
z odcházející plynné směsi. Mohlo by být realizováno celkem jednoduchou soustavou výměníků tepla. Otázkou
ovšem je, zda by vychlazení plynu nebylo na překážku technologie, která by s plynem dále pracovala. (Např.:v
cementárenském průmyslu)
/ 87 /
Brno 2006
Nebo zdokonalit metodu částečného spalování generované plynné směsi. A to přisáváním lepšího oxidačního
činidla, nejlépe čistého kyslíku. Odpadl by tak problém s ředěním plynu dusíkem z atmosféry. Toho by se dalo
dosáhnout i použitím separátního hořáku. Prostě by se část plynu odvedla a spálila v nějakém bočním hořáku a
spalinami by se dohříval zbývající nenaředěný plyn.To sebou samozřejmě přináší spoustu dalších technických
problémů, které bude třeba vyřešit. Otevírá se tak široké spektrum nezodpovězených otázek.
PODĚKOVÁNÍ
z biomasy"
[ 1 ] BALÁŠ M., LISÝ M., KOHOUT P., Ochrana L.: Provozní podmínky vysokoteplotního katalytického filtru
Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy IV“, Brno, 7. – 8. 12. 2005, ISBN 80-214-3067-2
(www.oei.fme.vutbr.cz).
[ 2 ] POLESNÝ B. a kol.: Termodynamická data pro výpočet tepelných a jaderných energetických zařízení. VUT
Brno (1990)
[ 3 ] RAŽNJEVIĆ K.: Termodynamické tabulky, vydavatelstvo technickém a ekonomickém literatúry Bratislava
(1984)
/ 88 /
Brno 2006
HODNOCENÍ ROZDÍLNÝCH REŽIMŮ PŘI PROCESU SPALOVÁNÍ
Radim Paluska, Miroslav Kyjovský
V tomto příspěvku jsou uvedeny poznatky vyplývající ze zkoušek provedených za účelem vyhodnocení
rozdílných režimů při procesu spalování palivového bukového dřeva ve formě polen v experimentálním ohništi o
jmenovitém výkonu 8 kW. Bylo provedeno ověření výkonové křivky krbových kamen a vliv součinitele přebytku
spalovacího vzduchu. Při těchto zkouškách byl zjištěn zajímavý poznatek v oblasti kinetiky hoření, který bude
v budoucnu dále zkoumán.
Klíčová slova: spalování, biomasa, spalovací režimy
POPIS EXPERIMENTÁLNÍHO ZAŘÍZENÍ A MĚŘICÍ TRASY
V závislosti na druhu a formě použitého paliva bylo pro provedení obou typů zkoušek použito experimentální
ohniště (obr. 1a), které bylo upraveno ke spalování kusového palivového dřeva (polen), na kterém bylo také
možno sledovat (pomocí tenzometrické váhy, na níž bylo zařízení umístěno) průběh vyhořívání vsázky. Na
obrázku 1b je znázorněna celá měřicí trasa včetně sledovaných hodnot zaznamenávaných kontinuálně do
ústředny napojené na PC.
Obr. 1 A) Schéma experimentálního zařízení
B) měřicí tratě [3]
Základní koncepce experimentálního ohniště má jmenovitý výkon 8 kW. Konstrukce byla upravena tak, aby bylo
možné přesně regulovat množství přiváděného vzduchu do ohniště a to jak přívodu primárního, tak také
sekundárního spalovacího vzduchu. Při zkouškách bylo také využito možnosti přívodu terciálního vzduchu. Po
celou dobu měření byl udržován podtlak na 12 Pa ± 2 Pa [4].
Ke spalovacím zkouškám bylo použito kusové bukové dřevo s obsahem vlhkosti w=10,42 % na jejímž základě
byla vypočtena výhřevnost Q=16,16 MJ/kg. Vzhledem k získané výhřevnosti, jmenovitém výkonu zařízení a jeho
účinnosti byla vypočtena hmotnost vsázky na 1 hodinu provozu m=2,55 kg/hod [3].
Ing. Radim Paluska, VŠB-TU Ostrava, Tř. 17. Listopadu 15, 708 33, [email protected]
Ing. Miroslav Kyjovský, VŠB-TU Ostrava, Tř. 17. Listopadu 15, 708 33, [email protected]
/ 89 /
Brno 2006
OVĚŘOVÁNÍ VÝKONOVÉ KŘIVKY KRBOVÝCH KAMEN
Cílem celého měření bylo popsat průběh hoření kusového dříví v experimentálním ohništi na tuhá paliva. Pro
ověření výkonové křivky byly zvoleny hodinové vsázky o hmotnostech:
1. 1,5 kg paliva
4. 3,2 kg paliva
2. 2 kg paliva
5.
4 kg paliva
3. 2,6 kg paliva
Při přípravě vsázky bylo snahou dosáhnout u každého kusu polen stejného měrného povrchu aby nedošlo
k ovlivnění procesu hoření [2]. Dále byly zajištěny podmínky a měřeny hodnoty uvedené v předchozí kapitole.
Z naměřených hodnot byly vypočteny přebytky vzduchu a účinnosti kotle pro jednotlivá měření (viz tabulka č. 1 a
č. 2).
Tab. 1 Naměřené průměrné hodnoty při různých hmotnostech vsázek
1,5 kg paliv a
2 kg paliva
2,6 kg paliv a
3,2 kg paliv a
4 kg paliva
O2 [%]
CO [%]
1. zkouška 2. zkouška 1. zkouška 2. zkouška
15,10
12,67
0,24
0,24
13,24
15,08
0,27
0,19
11,57
12,68
0,65
0,33
11,97
13,67
0,74
0,25
11,52
12,41
0,70
0,63
CO2 [%]
1. zkouška 2. zkouška
5,549
7,904
7,362
5,615
8,672
7,705
8,332
6,922
8,809
7,939
Tab. 2 Průměrná teplota spalin a vypočtené parametry
1,5 kg paliva
2 kg paliva
2,6 kg paliva
3,2 kg paliva
4 kg paliva
teplota spalin [°C]
přebytek vzduchu [1]
účinnost [%]
1. zkouška 2. zkouška 1. zkouška 2. zkouška 1. zkouška 2. zkouška
360,0
312,2
3,4
3,3
62,4
67,2
332,0
285,6
3,8
5,5
61,4
56,6
330,3
307,1
3,5
3,8
62,7
64,0
345,2
305,5
3,5
4,5
61,1
61,1
360,4
346,7
3,3
4,1
62,3
58,3
Na základě takto zjištěných a vypočtených hodnot byly porovnány některé závislosti vyplývající z daného cíle. Na
obrázku č. 2 je znázorněno porovnání křivek výkonu a účinnosti v závislosti na hmotnosti vsázky. Je zde patrná
vzájemná souvislost mezi oběma křivkami. Na jedné straně lze pozorovat nárůst výkonu s množstvím dodaného
paliva do topeniště, což se na druhé straně projeví poklesem účinnosti zdroje. Tento trend má poměrně lineární
charakter.
výkon
účinnost
11500,00
63,00
11000,00
62,50
10500,00
výkon [W]
61,50
9500,00
9000,00
61,00
8500,00
60,50
8000,00
7500,00
60,00
1,5 kg paliva
2 kg paliva
2,6 kg paliva
3,2 kg paliva
typ zkoušky
Obr. 2 Křivka výkonu a účinnosti v závislosti na množství dodaného paliva
/ 90 /
4 kg paliva
účinnost [%]
62,00
10000,00
Brno 2006
V průběhu vyhodnocování výsledků byly sestaveny tzv. křivky vyhořívání paliva. Jejich první derivací byly
získány křivky rychlosti hoření (viz další kapitola). Na obrázku č. 3, kde jsou křivky rychlosti hoření zobrazeny lze
pozorovat zajímavý průběh, který získáme vynesením spojnice protínající vrcholy jednotlivých křivek (maxima
rychlostí hoření jednotlivých vsázek).
Obr. 3 Křivka rychlosti uvolňování reakčního tepla
Tato nově vzniklá spojnice byla označena jako tzv. „Křivka rychlosti uvolňování reakčního tepla“ [1]. Tento
poznatek bude zkoumán při dalších experimentech, při kterých budeme hledat další souvislosti a pokusíme se
tento fakt ověřit.
VLIV SOUČINITELE PŘEBYTKU VZDUCHU NA KVALITU SPALOVACÍHO PROCESU
Vliv přebytku vzduchu na kvalitu spalovacího procesu byl stanovován v experimentálním ohništi. Jako palivo bylo
použito bukové dříví. Schéma měřicí tratě, stejně jako parametry bukového dříví, jsou uvedeny na počátku tohoto
příspěvku.
Pro stanovení součinitele přebytku vzduchu byly zvoleny tyto režimy spalovacího vzduchu vstupujícího do
ohniště:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
otevření primárního vzduchu na 50%
otevření primárního vzduchu na 100%
otevření primárního vzduchu na 100% a sekundárního na 50%
otevření primárního vzduchu na 100% a sekundárního vzduchu na 100%
otevření primárního, sekundárního i terciálního vzduchu na 100%
všechny přívody vzduchu otevřeny na 100%, včetně dvířek
Na počátku každé zkoušky bylo přiloženo stejné množství paliva, které odpovídalo jmenovitému výkonu ohniště.
Pro zachování podobných podmínek spalování bylo snahou přikládat stejný počet polen spalovaného dříví, jakož
i zachovávat stejný měrný povrch těchto polen.
Po provedení těchto zkoušek byly sestaveny křivky úbytku paliva v závislosti na čase (obr. 4).
/ 91 /
Brno 2006
Obr. 4 Úbytek paliva
Protože všechny zkoušky netrvaly úplně stejnou dobu, je časová osa vyjádřena v bezrozměrném tvaru. Toto
v podstatě odpovídá délce trvání jedné zkoušky. Avšak k posouzení kinetiky spalování je vhodnější vycházet
z rychlosti hoření paliva, proto byly sestaveny křivky rychlosti hoření paliva (obr. č. 5). Tyto křivky lze získat první
derivací křivek úbytku paliva [1].
Obr. 5 Rychlost hoření paliva
Dle obrázku 5 je patrné že se zvyšujícím se množstvím přiváděného vzduchu do ohniště roste rychlost hoření
paliva. To lze vysvětlit tím, že je do ohniště přiváděno dostatečné množství okysličovadla a rychlost reakce tak
může narůstat. Avšak toto probíhá pouze v intervalu, kdy je přiváděno jen 50% primárního vzduchu až do
hodnoty 100% primárního a 50% sekundárního vzduchu přiváděného do ohniště. Pokud proběhly zkoušky
s větším přívodem vzduchu do ohniště, jako 100% primárního se 100% sekundárního vzduch a více, lze na
obrázku pozorovat snižující se rychlost hoření paliva. I v tomto případě roste množství okysličovadla přiváděného
do ohniště, ale jelikož má okysličovadlo resp. vzduch, přiváděný do ohniště okolní teplotu, dochází
k nadměrnému vychlazování prostoru ohniště, a tak k poklesu rychlosti hoření. Tyto skutečnosti lze pozorovat i
na obrázku č. 6 a 7.
Obr. 6 Doba dosažení maxima rychlosti hoření u jednotlivých zkoušek.
/ 92 /
Brno 2006
Obr. 7 Maximální rychlost hoření u jednotlivých zkoušek.
Z obrázků č. 6 a 7 je zřejmé, že nejvyšší rychlosti hoření paliva dojde při přívodu 100 % primárního s 50 %
sekundárního vzduchu. Při takto nastaveném přívodu vzduchu dojde k maximální rychlosti hoření již za cca
4 minuty.
Průměrné naměřené hodnoty z jednotlivých zkoušek jsou uvedeny v tabulce 3. Dané hodnoty jsou závislé na
množství vzduchu vstupujícího do ohniště. Z těchto hodnot lze např. učinit závěry, že s rostoucím obsahem
kyslíku v ohništi resp. se zvyšujícím se přebytkem vzduchu klesá účinnost.
Tab. 3 Průměrné naměřené hodnoty
I - 50%
I - 100%
I - 100%, II - 50%
I - 100%, II - 100%
I - 100%, II - 100%, III - 100%
Vše otevřeno i dvířka
O2 [%]
CO [%]
CO2 [%]
9,77
10,67
1,74
0,70
10,13
9,53
10,28
12,49
0,95
0,79
9,83
7,71
11,44
12,68
0,65
0,33
8,79
7,71
12,32
12,07
0,41
0,68
8,05
8,17
15,12
13,31
0,13
0,32
5,49
7,12
19,45
19,18
0,05
0,05
1,33
1,58
I - 50%
I - 100%
I - 100%, II - 50%
I - 100%, II - 100%
I - 100%, II - 100%, III - 100%
Vše otevřeno i dvířka
teplota spalin [°C]
přebytek vzduchu [1]
účinnost [%]
280,05
226,09
2,72
3,12
70,79
76,45
306,98
282,85
2,81
3,81
69,28
65,11
332,28
307,08
3,46
3,76
62,68
63,97
324,67
322,42
3,94
3,75
61,33
61,71
309,17
367,70
5,72
4,32
50,91
52,51
151,78
181,35
20,31
16,25
28,00
27,39
Ze získaných výsledků lze říci, že spalovací proces velice závisí na množství přivedeného vzduchu do
ohniště. Jeho optimálním přívodem a rozložením v ohništi spalovacího zařízení lze ovlivňovat kvalitu spalovacího
procesu, jako například rychlost hoření paliva, množství CO2, ale i účinnost celého spalovacího zařízení.
/ 93 /
Brno 2006
[1] NOSKIEVIČ, P. (2002): Spalování uhlí. Ediční středisko VŠB – TU Ostrava, Ostrava, 62s.
[2] JANÁSEK, P. (2006): Výzkum parametrů ovlivňujících Spalování biomasy – disertační práce, VŠB – TU
Ostrava.
[3] JANÁSEK, P., KRPEC, K.(2004): Metodika zkoušení krbových kamen, VŠB – TU Ostrava
[4] ČSN EN 13229 – Vestavné spotřebiče k vytápění a krbové vložky na pevná paliva – Požadavky a zkušební
metody
Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Energie z biomasy GAČR 101/03/H064
/ 94 /
Brno 2006
NÁKLADY NA ENERGETICKÉ ZDROJE STŘEDNÍCH VÝKONŮ
Jaroslav Pavlů, Pavel Šumpela
Jedněmi z významných zdrojů tepla v České republice jsou takzvané Střední spalovací zdroje o tepelném výkonu
od 200kW do 5MW. Úměrně neustále rostoucím cenám paliv rostou i nároky na ekonomiku provozu těchto
energetických zdrojů, která je nejdůležitějším měřítkem kvality zařízení. Při rekonstrukcích a stavbě Středních
spalovacích zdrojů je nezanedbatelná i prvotní investice do vlastního zařízení. Proto je nutné využívat moderních
technologií výroby tepla s vysokou účinností a úměrnými investicemi do zařízení.
Klíčová slova: Střední spalovací zdroje, palivové náklady, vytápění.
ÚVOD
V České republice je v současné době značné množství středních zdrojů tepla (tepelný výkon v rozmezí 0,2 MW
až 5 MW) jež bude nutno v nejbližší době rekonstruovat. Velké množství středních zdrojů tepla bylo postaveno na
konci osmdesátých a na počátku devadesátých let minulého století s použitím tehdejších technologií. Ty byly
konstruovány na životnost maximálně 25 let, tudíž logicky nastává období jejich rekonstrukcí a celkových
přestaveb, pokud se tak již nestalo dříve z důvodu nefunkčnosti systému či neekonomičnosti provozu. Hlavním
důvodem vzniku této práce byly velmi časté dotazy soukromých subjektů provozujících tato zařízení na způsoby
nejvýhodnějšího vytápění u systémů centrálního zásobování teplem (dále jen CZT). V zájmu provozovatelů
těchto zdrojů je proto logicky prvotní otázka co možná nejnižších nákladů na vyrobenou jednotku energie
v kontextu s investičními a provozními náklady. Dle finančních, dispozičních a jiných možností investora lze
vybudovat různé systémy CZT. V práci jsou proto souhrnně uvedeny a porovnány všechny hlavní typy systémů
CZT. Úkolem práce je proto shrnutí všeobecně známých i podrobnějších dat, která musí být známa a zvážena
před prvotními investicemi do CZT.
Typy zdrojů tepla pro centrální zásobování teplem
V současnosti je možné volit mezi mnoha typy zdrojů tepla pro CZT. V následujícím přehledu jsou uvedeny
výhradně nejčastěji používané systémy, jež spolehlivě pracují na mnoha místech. V seznamu nejsou uvedeny
zdroje tepla typu tepelné čerpadlo, sluneční kolektory a podobné z důvodu investiční nerentability systémů, jež je
zaviněna zejména vysokou investiční nákladností na jednotku tepelného výkonu. Současné výtopny a teplárny
lze rozdělit dle více kritérií. Nejdůležitějším rozhodnutím pro rekonstrukci nebo vybudování nového systému CZT
je volba vhodného paliva. Důležitost volby paliva je dána celkovou ekonomikou provozu, v níž je téměř vždy
palivo nejvyšší položkou.
Podle druhu paliva se výtopny a teplárny dělí na:
1.) plynná paliva
- bioplyn
- odpadní plyny z průmyslové výroby
- skládkové plyny
- zemní plyn
2.) kapalná paliva
- mazut
- lehké a těžké topné oleje
- nafta/benzín
3.) pevná paliva
- uhlí (černé, hnědé, lignit)
- biomasa (štěpka, pelety, odpad)
- pevný odpad z průmyslové výroby (koks)
Ing. Jaroslav Pavlů, FSI VUT v Brně, Technická 2896/2, 616 69 Brno, [email protected]
/ 95 /
Brno 2006
Z pohledu uživatele je nejdůležitější cena jednotky tepla z paliva a dosažitelnost paliva. V případě bioplynu,
odpadních plynů, skládkových plynů, pevných odpadů, a v menší míře i u některých druhů biomasy, je jejich
dosažitelnost úzce vázána na dané lokality. Z pohledu ekonomického lze zařadit mezi nejlevnější zdroje energie
právě biomasu a uhlí, s velkým cenovým odstupem následuje zemní plyn a topné oleje. Cenové porovnání je
uvedeno v následujícím textu. Volba paliva výrazně ovlivní i investiční cenu do zařízení. Zpravidla technologicky
nejjednodušeji lze spalovat kapalná a plynná paliva, tudíž jsou jejich investiční náklady výrazně nižší než
v případě tuhých paliv. Obdobně jako v předešlém případě jsou investiční náklady na systém uvedeny níže.
Po volbě nejvhodnějšího paliva je nutné znát systémy využití jeho energie buď ve výtopenských nebo
teplárenských systémech. Jednotlivé typy se liší v mnoha směrech. Mezi nejdůležitější hlediska lze zařadit
tepelnou a elektrickou účinnost. Následuje zevrubné rozdělení výtopných a teplárenských systémů.
Výtopny lze dále rozdělit na:
1.) teplovodní (do 120°C)
2.) horkovodní (nad 120°C)
Hlavním rozdílem mezi teplovodním a horkovodním provozem je v tlaku v pracovních rozvodech. V obou
případech je pracovní látkou voda, ale v případě horkovodního systému jde o složitější systém se značně vyššími
nároky na tlakovou hladinu zařízení. Oproti teplovodním systémům pracují horkovodní výtopny s menšími objemy
pracovní kapaliny, tudíž nejsou třeba tak vysoké průtoky média kotli a systémem (menší oběhová čerpadla a
průměry potrubí). Výhodou teplovodních systémů jsou nižší ztráty tepla venkovními rozvody a to je hlavní důvod
jejich přednostního využívání v současných výtopnách.
Teplárny lze rozdělit dle technologie výroby elektrické energie na jednotky využívající:
1.)
2.)
3.)
4.)
5.)
6.)
spalovacích motorů
paro-plynových bloků
ORC – využívající organický Rankine-Clausiův cyklus
zplyňování biomasy a následná výroba elektrické energie ve spalovacím motoru
parního stroje
parních turbín
- protitlaké
- protitlaké s kondenzačním stupněm
- kondenzační s regulovaným odběrem páry
- šroubové parní turbíny
Využití spalovacích motorů v teplárenství je výrazně omezeno jejich výkonem. Jsou proto vhodné zejména pro
menší aplikace s maximálními výkony 1 MWt. Nevýhodou spalovacích motorů jsou vysoké provozní náklady na
palivo, na druhou stranu vysoká elektrická účinnost v kombinaci s nepřetržitým provozem může výrazně ovlivnit
ekonomiku provozu tohoto typu tepláren. V následujícím textu již není uváděn příklad paro-plynového bloku
z důvodu nevhodnosti těchto zařízení pro aplikace menší než 20 MWe, jež jsou v tomto článku uvažovány.
V případě ORC cyklu je problémem jeho investiční náročnost, jež je bez ekonomické pomoci nerentabilní. Při
zplyňování biomasy a následném spalování energoplynu ve spalovacích motorech nastávají problémy buď
s homogenitou paliva (sesuvné zplyňovače) nebo s kvalitou energoplynu (fluidní zplyňovače). Použití parního
stroje je výrazně ovlivněno obdobně jako v případě spalovacích motorů výkonem a cenou zařízení. Tejně jako
v předešlém případě jde o novější technologii výroby elektrické energie. Nejvíce využívaným teplárenským
systémem současnosti je použití parního kotle ve spojení s parní turbínou. Toto řešení umožňuje poměrně
dobrou elektrickou účinnost ve spojitosti s poměrně nízkými provozními náklady.
Jednotlivé technologie vyžadují specifická paliva a mají omezený rozsah výkonů. V případě spalovacích motorů a
paro-plynových bloků lze využít výhradně plynných a kapalných paliv. Ve zbývajících případech lze použít všech
druhů paliv nebo jejich kombinací. Výkonové rozsahy uvedených systémů jsou uvedeny níže v tabulkové podobě.
/ 96 /
Brno 2006
NÁKLADY NA PALIVO
Vedle investičních nákladů jsou nejdůležitější provozní náklady, v nichž se jedná hlavně o náklady na palivo. Jde
o zdaleka největší položku, která se promítá do ceny energií, a kterou musí provozovatel uhradit. Vhodnou
volbou paliva lze tuto částku výrazně ovlivnit.
Tab. 1 Náklady na palivo
Palivo
Náklady na 1t paliva
Výhřevnost paliva
Náklady na 1GJ tepla
Plyn
kč/t
MJ/kg
kč/GJ
LTO
50
324,6
Hnědé uhlí
13800
37,4
369
780
14,25
54,7
Štěpka
800
12,5
64
Ceny paliv odpovídají nabídkám firem. Tabulka jasně ukazuje, která paliva jsou provozně nejekonomičtější.
Výrazný cenový rozdíl mezi zemním plynem, potažmo lehkými topnými oleji a uhlím respektive biomasou ve
formě štěpky je dán cenami na trhu s danými surovinami. Z dlouhodobého hlediska je jasná výhodnost používání
lokálních zdrojů energie v podobě biomasy před spalováním energetického uhlí z lokálních zdrojů v České
republice. Těžitelné kapacity hnědého uhlí dolů v oblasti Krušných hor jsou totiž časově omezeny v horizontu
maximálně dvaceti let. Výrazná je zejména výhodnost energetického využití odpadní biomasy při zpracování
dřeva, odpadní produkty zemědělství a účelné pěstování energetických plodin.
PROVOZNÍ NÁKLADY
Vedle nákladů na palivo to jsou náklady spojené s platy zaměstnancům, platby za dodanou elektrickou energii,
vodu, atp. Tyto náklady není možné všeobecně přesně vyjádřit. Liší se podle typu zařízení a mnoha
doprovodných hledisek. V následující tabulce jsou přibližné náklady na jednotku třech nejdůležitějších položek a
to personální náklady, náklady na elektrickou energii a náklady na dodávku vody nutné pro chod dané
technologie. Největší položku provozních nákladů tvoří náklady na palivo, které jsou shrnuty v předešlém
odstavci.
Tab. 2 Provozní náklady
Jednotka
Personální náklady
Elektrická energie
Voda
kč/1 osoba
kč/MWh
kč/m3
Náklady
250000
2000
45
Uvedené náklady jsou průměrem cen získaných z webových stránek společností E.on Česká republika a.s. a
Vodárenská a.s.
INVESTIČNÍ NÁKLADY DO SYSTÉMU
Vhodnou volbou zdroje tepla je možné výrazně ovlivnit výslednou ekonomiku provozu. Nově konstruované
výtopny jsou plně automatické jednotky, které jsou více či méně investičně levnější než teplárny o stejném
tepelném výkonu. Je to dáno jednodušší technologií výroby tepla. Výraznou nevýhodou výtopen jsou však nižší
tržby z prodeje energií. Všeobecně proto mají teplárny ve většině případů rychlejší návratnost investic.
Největší položkou investičních nákladů jsou ve většině případů kotle a jejich periferie v kotelně. V následujícím
přehledu jsou uvedeny přibližné ceny za instalovanou tepelnou 1 MW. V tabulce jsou též uvedeny maximální
elektrické výkony které lze získat při použití uvedeného systému z instalované 1 MWt. Sloupec rozsah výkonu je
uveden pro přehled výkonnosti jedné jednotky.
/ 97 /
Brno 2006
Tab. 3 Přehled maximálních elektrických výkonů jednotlivých zdrojů
Typ výtopny/teplárny
Teplovodní výtopna spalující uhlí
Teplovodní výtopna spalující plyn
Teplovodní výtopna spalující dřevní
štěpku
Parní teplárna-kondenzační turbína
Parní teplárna-protitlaká turbína
Parní teplárna-parní stroj
Parní teplárna-šroubová parní turbína
ORC teplárna
Spalovací motory
Rozsah výkonů
Náklady na
1MWt
MW
mil.kč
Maximální instalovaný
elektrický výkon z
1MWt
kW
0-500
0-50
3-4
1,5-2
0
0
0-50
4-5,5
0
2-500
2-50
0-2
0-2
2-20
0-2
7-9
6-8
6-8
6-10
18-22
7-8
120-200
40-80
80-120
80-130
150-200
200-390
Z uvedených dat vyplývá vhodnost jednotlivých typů teplárenských a výtopných systémů pro specifické aplikace.
Spalovací motory a parní stroje jsou vhodné pro aplikace v ostrovním provozu, kdy je vyrobená elektrická energie
určena především pro vlastní spotřebu. ORC cyklus a parní turbíny lze ekonomicky využít i pro dodávku
elektrické energie do sítě a to především v případě využívání ekologických paliv. Výtopny jsou vhodné především
pro aplikace, kde není možné využít kogenerace elektřiny a tepla z důvodu prostorového apod.
ZÁVĚR
Výsledkem práce jsou data nutná pro následný přesnější výpočet celkové ekonomiky provozu jednotlivých typů
výtopen či tepláren. Závěrečným výsledkem práce by měla být možnost porovnání jednotlivých typů oběhů co se
efektivity kogenerace týče, ale též srovnání oběhů po ekonomické stránce věci. Tento pohled na teplárenství
v současné literatuře jednoznačně chybí. Tento pohled je pro investory a jejich orientaci v sektoru nejdůležitější.
PODĚKOVÁNÍ
z biomasy"
[1] KADRNOŽKA J., OCHRANA L. (2001): TEPLÁRENSTVÍ. Akademické nakladatelství CERM, Brno
[2] POLESNÝ B. (1989), Teplárenství a potrubní sítě,Ediční středisko VUT, Brno
[3] Zdroje dat z internetu:
http://www.bios-bioenergy.at
http://www.tedom.cz/
http://www.vodarenska.cz/
http://www.eon.cz
http://www.tzb-info.cz
/ 98 /
Brno 2006
ODSTRAŇOVÁNÍ KYSELÝCH SLOŽEK Z PLYNŮ ZE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY
Petr Pekárek, Pavel Machač, Václav Koza, Božena Kremanová, Kateřina Bradáčová, Josef Kuba,
Pedro Delgado Moniz
Článek se zabývá čištěním generátorového plynu pro energetické využití ve vysokoteplotních palivových článcích
metodou vysokoteplotní adsorpce. Jsou zde uvedeny metody přípravy celé řady sorbetů, testovací aparatura,
použité analytické metody a přehled dosažených výsledků.
Klíčová slova: Vysokoteplotní adsorpce, H2S, HCl, HF
ÚVOD
Zplyňování biomasy je jedním z efektivních způsobů získávání energie v nepříliš vzdálené budoucnosti.
Produkovaný plyn však obsahuje řadu nežádoucích složek. Pro použití ve vysokoteplotních palivových článcích
jsou striktně omezeny koncentrace kyselých složek, zvláště pak sulfanu, ale také kyseliny chlorovodíkové a
fluorovodíkové. Proto je nezbytné výše uvedené sloučeniny efektivně odstranit z produkovaného plynu.
VYSOKOTEPLOTNÍ PALIVOVÝ ČLÁNEK
Palivový článek je stručně charakterizován jako elektrochemické zařízení, přeměňující chemickou energii
obsaženou v palivu přímo na elektrickou energii. Oproti jiným metodám získávání energie dosahuje tato metoda
vyšší elektrické účinnosti – a to přes 60 %. Palivových článků existuje široká škála – liší se jak použitým
elektrolytem, tak teplotou, při které mohou být provozovány. Pro náš výzkum se předpokládá využití
vysokoteplotního palivového článku typu HTSOFC (High Temperature Solid Oxide Fuel Cell) využívající jako
elektrolyt pevné oxidy kovů a pracující v teplotním okénku 650 – 1000 °C.
POŽADAVKY PALIVOVÉHO ČLÁNKU NA SLOŽENÍ POUŽITÉHO PLYNU
Charakteristika generátorového plynu a zároveň požadavky palivového článku jsou shrnuty v tabulce č. 1 na
následující straně. Je zřejmé, že je nezbytné odstranit sirné látky, jako jsou sulfan a karbonyl sulfid. Tyto látky
jsou velice agresivní (silně korozivní, katalytické jedy), takže jejich koncentrace je striktně omezena pod 1 ppm
obj. Taktéž je nutné zachytit minerální kyseliny, jako jsou kyselina chlorovodíková, popř. fluorovodíková. Jejich
koncentrace nesmí překročit 10 objemových ppm.
Tab. 1 Složení generátorového plynu a požadavky HTSOFC
Složky
CO
H2
CO2
H2O
CH4
N2
C2H4
C2H6
Benzen
Toluen
H2S
COS
NH3
HCl
HF
Dehet
Popílek
Jednotky
obj. %
obj. %
obj. %
obj. %
obj. %
obj. %
obj. %
obj. %
obj. %
obj. %
Vppm
Vppm
Vppm
Vppm
Vppm
mg/mn3
g/mn3
Vstup
16
14
14
13
4
36
1,4
0,01
0,4
0,1
100 – 200
15
2000 – 3000
75 – 150
10 – 20
7000
6
Ing. Petr Pekárek, VŠCHT, ÚPKOO, Technická 5, Praha 6, [email protected]
Výstup
Palivo
Palivo
bez problému
bez problému
bez problému
bez problému
C-depozice
C-depozice
C-depozice
C-depozice
1 ppm
1 ppm
palivo
10 ppm
10 ppm
----/ 99 /
Brno 2006
PRINCIP VYSOKOTEPLOTNÍ ADSORPCE
Pro vysokoteplotní adsorpci nežádoucích složek generátorového plynu jsou využívány oxidy kovů. Tyto oxidy
(MO; M = kov) přímo reagují se zachycovanou látkou podle následujících reakcí:
Pro adsorpci halogenidů: MO + 2 HCL / 2 HF → H2O + MCl2 / MF2
Pro adsorpci sirovodíku: MO + H2S → H2O + MS
Pro laboratorní měření byly využívány 3 různé směsi plynů o následujícím složení hlavních komponent (v %obj.):
CO 16, H2 14, CO2 14, H2O 13, zbytek N2. Směsi plynů se lišily v koncentraci methanu a ethanu, tyto dvě složky
by mohly z hlediska termodynamiky ovlivnit rovnováhu adsorpce na použitých oxidech kovů.
Vstupní koncentrace nežádoucích látek v ppm obj.: H2S 100/200, COS 15, HCl 75/150, HF 10/20.
Požadovaná výstupní koncentrace nežádoucích látek v ppm obj.: H2S 1, COS 1, HCl pod 10, HF pod 10
Teplotní okénko jednotlivých pokusů bylo 500 °C až 900 °C a všechna měření probíhala za normálního tlaku
101,325 kPa.
APARATURA
Na Obr. 1 je znázorněna aparatura používaná pro testování vlastností použitých sorbetů. Navážka sorbetu (2 g)
byla nasypána na lože reaktoru. Nastavila se požadovaná teplota a zapnula se pec. Po vyhřátí na zadanou
teplotu se zahájilo dávkování vodného roztoku HCl a HF lineární pumpou a byl otevřen přívod směsi plynů
z tlakové lahve. Požadovaná koncentrace H2O, HCl a HF na vstupu se vytvořila odpařením roztoku do proudu
plynné směsi. Při separaci analytických větví pro sulfan a kyseliny bylo využito kondenzačního diagramu viz Obr.
2, kdy se využívá současné kondenzace obou kyselin (ideálně při 53 °C), přičemž sulfan pokračuje dále v plynné
fázi. Stanovení koncentrace zachycovaných komponent na výstupu z reaktoru po průchodu směsi plynů vrstvou
testovaného sorbetu bylo realizováno několika analytickými metodami, z nichž jsou některé zakresleny na
následujícím Obr. 1
/ 100 /
Brno 2006
thermocouple
rotameter
NaOHsolution
absorber
cooler
samplingfor liquid
chromatography
gaseous mixture
N2
linear dosing machine
sulphide electrode
reactor
Obr. 1 Aparatura používaná pro testování sorbetů
120
0,6
100
0,5
80
0,4
60
0,3
40
0,2
20
0,1
0
0
15
20
25
30
35
40
Teplota [°C]
Obr. 2 Kondenzační diagram vybraných složek plynu
/ 101 /
45
50
55
60
Rel. množství zkondenzovaného H 2S [hm %]
Rel. množství zkondenzované složky [hm %]
Kondenzační diagram vybraných složek plynu
HCL
HF
H2O
NH3
H2S
Brno 2006
ANALYTICKÉ METODY STANOVENÍ SLEDOVANÝCH SLOŽEK
Výstupní koncentrace jednotlivých složek výstupní směsi plynů byla stanovena následujícími analytickými
metodami:
H2S byl stanoven chromatograficky, přičemž pro kontinuální stanovení sulfanu je používána sulfidová elektroda.
Pro stanovení HCl a HF je využívána kapalinová chromatografie. Vzorkem pro chromatografické stanovení těchto
látek je kondenzát vzniklý ochlazením plynu vystupujícího z reaktoru podle Obr. 1.
TESTOVANÉ SORBENTY
Pro testování byla připravena celá škála sorbetů. Při přípravě se vycházelo převážně z dusičnanů kovů. Mezi
použité látky patřily např.: Zn(NO3)2 · 6 H2O, Fe(NO3)3 · 9 H2O, Cu(NO3)2 · 3 H2O a Mn(NO3)2 · 4 H2O. Jako nosiče
se osvědčily např. γAl2O3, αAl2O3, SiO2, grafit a aktivní uhlí.
Z přírodních látek byly testovány dolomity s různým stupněm úpravy (žíhání, vypírání).
Též se testovaly komerční katalyzátory na bázi hořčíku, mědi a zinku na různých nosičích.
METODY PŘÍPRAVY TESTOVANÝCH SORBENTŮ
Testované sorbenty se připravovaly jednou z následujících tří metod: spolusrážení, homogenní srážení a
impregnace.
Postup spolusrážení využívá dusičnany požadovaných kovů Zn(NO3)2 a Fe(NO3)3 a čpavkovou vodu pro úpravu
pH roztoku na hodnotu 10. Nosičem sorbetu je buď γ alumina nebo silika. Směs se zfiltruje, suší ve vakuu při
70 °C a kalcinuje se při 500 °C Produktem je sorbent na bázi ZnFe2O4 nanesený na zvoleném nosiči.
Postup homogenního srážení je založen např. na Zn(NO3)2 · 6 H2O, k němuž se přidává močovina. Po zfiltrování
a sušení ve vakuu se získá Zn(OH)2, který se kalcinuje při teplotách od 400 do 500 °C.
Impregnační postup používá roztok Zn(NO3)2 a Fe(NO3)3 a nosič γAl2O3 / SiO2. Po vysušení a kalcinaci je získán
směsný sorbent na bázi zinku a železa.
DOSAŽENÉ VÝSLEDKY
Pro sorpci sulfanu se ukázaly jako nejúčinnější komerční katalyzátory na bázi zinku a mědi na alumině, přičemž
byly testovány jak v ČR vyrobené, tak i zahraniční. Nelze je ovšem použít pro záchyt kyselin.
U výše uvedených komerčních katalyzátorů lze dosáhnout požadované koncentrace sulfanu pod 1 ppm.
Pokud jde o přírodní látky jako např. dolomity, ty vykázaly dobré výsledky při záchytu minerálních kyselin, ale byly
nepoužitelné v případě adsorpce sulfanu.
V budoucnosti budou následovat testy dalších přírodních látek, hlavně vápenců, s různým stupněm úprav.
Výzkum bude dále zaměřen na laboratorní přípravu dalších sorbetů.
/ 102 /
Brno 2006
Prezentované výsledky byly získány za spolufinancování prostředků úkolu MSM 6046137304.
[1]
[2
[3]
[4]
Girard, P. ( 2003): SOFC fuel cell fuelled by biomass gasification gas. Paris, 65s.
]Machač P., Krystl V., Kuba J., Koza V., Skoblja S., Chalupa P.: Vývoj aparatury pro měření sorpce H2S na
tuhých sorbetech za vysokých teplot s ohledem na čištění energetického plynu ze zplyňování biomasy.
Seminář Energie z biomasy III. VUT Brno, 2004.
Ditl P.: Difúzně separační pochody, ČVUT, Praha, 2002.
Machač P., Kuba J., Chalupa P., Píša J., Kremanová B.: Vysokoteplotní sorpce H2S COS, HCl a HF
z energetického plynu. Sborník přednášek konference APROCHEM 2005 (476 – 481).
/ 103 /
Brno 2006
/ 104 /
Brno 2006
EMISE HLAVNÍCH ZNEČIŠŤUJÍCÍCH LÁTEK PŘI SPALOVÁNÍ TUHÝCH PALIV V KOTLI MALÉHO
VÝKONU
Roman Polívka, Viktor Tekáč, František Skácel, Štěpán Čížek, Karel Šec
Pro měření emisí vznikajících při spalování tuhých paliv ve spotřebiči malého výkonu bylo navrženo a
konstruováno experimentální zařízení. Použité analyzátory, vzorkovací trasy a počítačové programy umožňují
správné stanovení emisí všech měřených znečišťujících látek.. Měření emisí bylo prováděno při spalování
5 druhů tuhých paliv v kotli o maximálním výkonu 24 kW. Výsledkem měření bylo získání hodnot hmotnostní
koncentrace, hmotnostního toku a měrné výrobní emise vztažené na prakticky využitelný výkon kotle. Získaná
data mohou přispět k zpřesnění emisní bilance České republiky.
Klíčová slova: spalování, emise, kotle malých výkonů
VÝZKUM PRO ZÍSKÁNÍ REPREZENTATIVNÍCH EMISNÍCH ÚDAJŮ
Tento příspěvek je součástí širšího výzkumného programu, jehož cílem je získání reprezentativního souboru
emisních údajů pro spalování typických druhů tuhých paliv v malých spotřebičích různého konstrukčního
provedení a s různou technickou vyspělostí. Existuje řada starších prací zabývajících se stejnou problematikou
[2] – [5], v nich uvedené výsledky však již neodpovídají ani současným požadavkům na kvalitu emisních dat, ani
současné skladbě běžně dostupných tuhých paliv a prodávaných spotřebičů. Proto jsme již dříve sestavili
experimentální spalovací zařízení pro měření emisí ze spotřebičů na tuhá paliva o výkonu do 50 kW. Soubor
instalovaných měřicích přístrojů, používaných vzorkovacích a analytických metod a výpočetních postupů
umožňuje určeních hmotnostní toků, hmotnostních koncentrací a tzv. měrných výrobních emisí (emisních faktorů)
znečišťujících látek i při nestacionárním průběhu spalování. Dosud publikované výsledky získané pomocí
uvedeného zařízení charakterizují emise ze spalování tuhých paliv v šachtových kamnech o jmenovitém výkonu
5 kW (patří do skupiny lokálních spotřebičů) [6].
POUŽITÉ EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ
V tomto příspěvku byly studovány emise z teplovodního kotle DAKON DOR 24. Jedná se o tepelné zařízení
klasické konstrukce – palivo je ze zásobní šachty dávkováno na rošt samočinně působením gravitace, spalování
paliva probíhá odhoříváním palivové vrstvy. Tepelný výkon kotle lze regulovat v rozmezí 7 kW až 24 kW.
Uvedený kotel je typickým představitelem teplovodních kotlů používaných v České republice při vytápění
domácností tuhými palivy. Teplovodní okruh proměřovaného kotle je vybaven regulátorem pro nastavení
užitečného tepelného výkonu kotle a kontinuálním měřením tepelného výkonu vodního okruhu kotle. Uspořádání
emisní části experimentálního zařízení je zřejmé z Obrázku 1. Zařízením je možno kontinuálně měřit obsah O2,
CO2, H2O, CO, SO2, NO, NO2, CH4 a TOC v proudících spalinách. Manuálně lze stanovit všechny znečišťující
látky. Pro měření emisí při nestacionárním průběhu spalování je zařízení doplněno o kontinuální měření průtoku
spalin. Detailní popis analyzátorové části včetně metod analýzy a numerického vyhodnocení naměřených údajů
byl publikován již dříve [6]-[8].
EMISNÍ SPALOVACÍ ZKOUŠKY
Emisní spalovací zkoušky byly provedeny s 5 druhy tuhých paliv běžně dostupných v maloobchodních
prodejnách. Byly spalovány 2 druhy kusového hnědého uhlí zrnitosti o1 (z podkrušnohorské pánve), černé uhlí
téže zrnitosti (polského původu), sokolovské zlomkové hnědouhelné brikety a brikety z dřevěných pilin (oboje
brikety měly podobnou velikost jako kusové uhlí o granulometrii kostka). Výše uvedené pořadí paliv je shodné s
pořadím vhodnosti uvedeným v technické dokumentaci k použitému kotli. Měření probíhalo při dvou základních
topných režimech: při maximálním výkonu kotle a při minimálním výkonu kotle (režim stáložárného provozu), a to
za ustálených provozních podmínek (kolísání výkonu kotle a průtoku spalin ± 10 %). V žádném z výkonových
režimů se nepodařilo dosáhnout výrobcem deklarovaných provozních výkonových parametrů. Nejnižší dosažený
ustálený výkon činil 9,3 kW (místo 7kW) nejvyšší dosažený ustálený výkon činil 22 kW (místo 24 kW). Vzhledem
Ing. Roman Polívka, VŠCHT-Ústav plynárenství, Technická 5, 16628 Praha6, [email protected]
/ 105 /
Brno 2006
k tomu, že testovaný kotel včetně kouřovodů byl v bezvadném technickém stavu, nastavené teplotní rozdíly
výstupní a vstupní vody odpovídaly požadovaným výkonům, lze omezenou regulovatelnost spalovacího procesu
vysvětlit pouze nevhodnými charakteristikami testovaných paliv ve vztahu k použitému kotli. Všechna uhelná
paliva se vyznačovala mimořádnou tendencí k uvolňování plynných organických látek již při nízkých teplotách
(např. v zásobníku paliva). Konstrukce topeniště však neumožňuje úplnou oxidaci velkých množství plynných
organických látek, charakteristický je spíše průběh zplyňovacích endotermních reakcí (při spalování
hnědouhelných paliv činil maximální ustálený tepelný výkon kotle 19,5 kW). Průběh těchto reakcí byl potvrzen i
nízkým obsahem kyslíku a vysokým obsahem oxidu uhelnatého a methanu ve spalinách.
Obr. 1 Schéma zařízení pro měření emisí ze spotřebičů malých výkonů
VÝSLEDKY MĚŘENÍ
Hlavní výsledky měření emisí jsou shrnuty v Tabulkách 1 a 2. V Tabulce 1 jsou pro oba výkonové režimy
uvedeny průměrné hodnoty hmotnostní koncentrace sledovaných znečišťujících látek. Pro orientační porovnání
s emisními limity platnými pro střední a větší zdroje znečišťování (řádově 102 mg/m3) jsou hmotnostní
koncentrace převedeny na stejné vztažné podmínky (viz vysvětlivky k Tabulce 1). Z výsledků je zřejmé, že obsah
znečišťujících látek ve spalinách malých teplovodních kotlů je podstatně vyšší než v případě středních a větších
zdrojů. Překvapivé je zjištění, že obsah CO a CH4 ve spalinách při spalování hnědého uhlí o1 (palivo výrobcem
výslovně určené) je podstatně vyšší než při spalování dřevených briket (výrobcem označeny jako nejméně
vhodné). Vyšší obsahy uvedených látek jsou příznakem horší účinnosti spalování kusového hnědého uhlí ve
srovnání s dřevěnými briketami a černým uhlím. Pro úplnost je však nutno uvést, že spalování dřevených briket
v daném kotli vyžadovalo velmi intenzivní dohled obsluhy nad dávkováním paliva do kotle a jeho podáváním na
rošt ve srovnání s ostatními palivy.
/ 106 /
Brno 2006
Tab. 1 Objemový zlomek kyslíku a hmotnostní koncentrace znečišťujících látek
Palivo (původ)
Režim
φ(O2)
(%)
ρ N,r (ZL)
CO
SO2
NO2
(mg/m3)
CH4
TZL
A
6,6
4 210
48
143
250
72
B
8,0
3 390
56
137
250
148
A
3,4
6 390
401
309
700
1 470
Černé uhlí (Polsko)
B
6,9
5 940
301
382
140
1 048
Hnědouhelné brikety
A
4,6
10 300
313
392
2 200
542
(SUS)
B
7,7
13 000
439
419
1 000
1 810
A
2,3
35 000
836
252
6 700
776
Hnědé uhlí (MUS)
B
4,4
42 300
461
220
6 700
5 110
A
5,2
23 500
1 200
270
2 600
4 290
Hnědé uhlí (SD)
B
6,9
42 100
1 600
233
1 900
1 220
Vysvětlivky:
A – v době průměrného maximálního provozního výkonu kotle
B – v době průměrného minimálního provozního výkonu kotle
φ(O2) – objemový zlomek kyslíku v suchých spalinách
ρ N,r (ZL) - hmotnostní koncentrace znečišťujících látek za normálních podmínek
Dřevěné brikety
v suchých spalinách s daným referenčním obsahem kyslíku (11 % pro dřevěné brikety,
6 % pro uhelná paliva)
TZL - tuhé znečišťující látky
Tabulka 2 uvádí měrné výrobní emise jednotlivých znečišťujících látek vztažené na vyrobenou využitelnou
energii. Tyto měrné výrobní emise umožňují správné kvantitativní porovnání jednotlivých paliv z hlediska jejich
vlivu na venkovní ovzduší. Zatímco u oxidů dusíku vyjádřených sumárně jako NO2 jsou zjištěné hodnoty pro
všechna paliva prakticky stejné, u všech ostatních sledovaných znečišťujících látek je trend zcela jednoznačný.
Nejnižších hodnot měrných výrobních emisí bylo dosaženo u dřevených briket a černého uhlí, u nichž byla
zjištěna i malá závislost na výkonu kotle. Výrazně vyšší měrné výrobní emise byly zjištěny při spalování hnědých
uhlí o1, pro něž je i zřejmá výkonová závislost. Vysoké hodnoty dosahované při minimálním výkonu kotle svědčí
o nutnosti provozovat teplovodní kotle instalované v domácnostech především při maximálním výkonu. V Tabulce
2 jsou pro ilustraci uvedeny i měrné výrobní emise při výrobě elektřiny ve 400 MW tepelné elektrárně.
Porovnáním tabelovaných hodnot lze zjistit, že výroba tepelné energie v domácích teplovodních kotlích malých
výkonů podstatně více zatěžuje životní prostředí než provoz tepelných elektráren.
/ 107 /
Brno 2006
Tab. 2 Měrné výrobní emise vztažené na vyrobené teplo (elektrickou energii)
Palivo (původ) /
Zařízení
Měrné výrobní emise
(g/kWh)
CO
SO2
NO2
CH4
TZL
A
10,7
0,1
0,4
0,6
0,2
Dřevěné brikety
B
10,8
0,2
0,4
0,8
0,5
A
10,0
0,6
0,5
1,1
2,3
Černé uhlí (Polsko)
B
14,4
0,7
0,9
3,4
2,5
Hnědouhelné brikety
A
26,5
0,8
1,0
5,6
1,4
(SUS)
B
42,2
1,4
1,4
3,3
5,9
A
109
2,6
0,8
21,0
2,4
Hnědé uhlí (MUS)
B
177
1,9
0,9
28,2
21,5
A
72,3
3,7
0,8
8,0
13,2
Hnědé uhlí (SD)
B
175
5,4
1,0
6,6
5,1
Tepelná elektrárna
400 MW
0,016
0,5
0,8
0,004
0,043
Vysvětlivky:
A – v průběhu průměrného maximálního provozního výkonu kotle
B – v průběhu průměrného minimálního provozního výkonu kotle
400 MW – užitečný elektrický výkon černouhelného energetického bloku vybaveného
odsiřovací jednotkou
Režim
Práce vznikla v rámci výzkumného záměru Fakulty technologie a ochrany prostředí VŠCHT Praha – MSM
6046137304.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Zákon č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů (zákon o ochraně ovzduší),
ze dne 14.února 2002 – ve znění k 31.5.2006.
PFEIFFER, F., STRUSCHKA, M., BAUMBACH, G.: Ermittlung der mittleren Emissionsfaktoren zur Darstellung der
Emissionsentwicklung aus Feuerungsanlagen im Bereich der Haushalte und Kleinverbraucher. Abschlussbericht
zum Forschungsvorhaben 295 46 364. Erschienen in der Reihe UBA-TEXTE als Nr. 14-00, Umweltbundesamt,
Berlin, 2000.
STRUSCHKA, M., STRAUB, D., BAUMBACH, G.: Schadstoffemissionen von Kleinfeuerungsanlagen.
Universität Sttutgart, Stuttgart, 1988, 197 stran.
STRUSCHKA, M., STRAUB, D., BAUMBACH, G.: Schadstoffemissionen von Holzbriketts und Scheitholz.
Universität Sttutgart, Stuttgart, 1992, 87 stran.
NEUBAUEROVÁ, L.: Emise z lokálního topeniště v soukromém vlastnictví. Sborník semináře Měření emisí,
SyS, Praha, 1992, s. 64-84.
TEKÁČ, V., SKÁCEL, F., ČÍŽEK, Š., ŠEC, K.: Emise hlavních znečišťujících látek při spalování tuhých paliv
ve spotřebičích malých výkonů. Acta Mechnica Slovaca 3-A/2004, TU Košice, Košice, str. 93-98, ISSN
1335-2393.
TEKÁČ, V., SKÁCEL, F., ČÍŽEK, Š., ŠEC, K.: Emise organických sloučenin ve spalinách z malých zdrojů
znečišťování ovzduší. Acta Mechanica Slovaca.( 2), 6 str. 213-218, 2005, Univerzita TU Košice, ISSN
1335-2393.
TEKÁČ, V., SKÁCEL, F., ČÍŽEK, Š., TENKRÁT, D. Emissions of volatile organic compounds from small
solid fuel fired appliances, Sborník I. mezinárodní konference „Emise organických látek z technologických
procesů a metody jejich snižování“, Pardubice 15.-16.6.2005, str. 88-96, ISBN 80-02-01737-4.
/ 108 /
Brno 2006
SPALOVÁNÍ ENERGOPLYNU NA VUT BRNO
Lukáš Pravda
Článek se zabývá problematikou spalování energoplynu na VUT v Brně, Fakultě Strojního inženýrství, Odboru
energetického inženýrství při Energetickém ústavu. Ve stručnosti popisuje jeho výrobu, charakteristiky a složení.
Podrobněji se zabývá návrhem experimentu pro jeho spalování. K produkci energoplynu na VUT v Brně je
využívána experimentální jednotka atmosférického fluidního zplyňování Biofluid 100, pro jeho spalování
spalovací komora navržená a vyrobená v dílnách Odboru energetického inženýrství.
Klíčová slova: energoplyn, generátorový plyn, spalování, zplyňování, biopalivo, biomasa, OZE
ÚVOD
Technologie procesu, jejímž výsledkem je spalitelný plyn (energoplyn, generátorový plyn) z paliv obsahujících
uhlík, je velmi stará. Už v roce 1812 společnost pro výrobu svítiplynu, nacházející se v Londýně, poprvé
uskutečnila suchou destilaci na komerčním zařízení. První komerční protiproudý zplyňovač byl zprovozněn v roce
1839 a sloužil pro kontinuální zplyňování pevného paliva, kdy zplyňovacím mediem byl vzduch. Následoval velký
vývoj protiproudých zplyňovačů s využitím pro různá paliva. Tyto zplyňovače se pak využívaly ve velkém měřítku
v určitých průmyslových, elektrárenských a tepelných aplikacích, až do 20. let 20. století.
ENERGOPLYN
K tvorbě energoplynu dochází při zplyňování za přítomnosti zplyňovacího media (vzduch, kyslík O2, vodní pára,
kombinace předchozích) a vhodně zvolených reakčních podmínek. Energetický obsah produkovaného
energoplynu z biomasy může být různý. Při zplyňování vzduchem je průměrná výhřevnost energoplynu běžně
4 – 6 MJ/mn3, dáno přítomností vysokého obsahu vzdušného dusíku při procesu zplyňování – nízkovýhřevný
plyn, při zplyňování kyslíkem lze dosáhnout průměrně výhřevnosti 14 – 18 MJ/mn3 – středně výhřevný plyn.
Produkovaný energoplyn je úspěšně využíván jako náhradní palivo (např. jako náhrada ZP) v různých
technologických procesech (cementárny, vápenky, různé pece) a šetří tak zde základní palivo. Výzkumně se ve
světě zkouší využití také v teplárnách s plynovým cyklem, kde plyn slouží k pohonu tepelného motoru – spalovací
turbíny nebo spalovacího motoru. Ekonomický e ekologický efekt takovéto technologie je potom nejvyšší a
představuje v globálním pohledu největší úspory primárních paliv.
VÝROBA ENERGOPLYNU NA VUT BRNO
Pro produkci energoplynu na VUT Brno je využívána experimentální jednotka atmosférického fluidního
zplyňování Biofluid 100 o tepelném výkonu 100 kWt, nacházející se od roku 2000 v těžkých laboratořích
Energetického ústavu – Odboru energetického inženýrství.
Zplyňovací generátor na zplyňování biomasy a vybraných odpadů používaný k experimentálním účelům je
atmosférického fluidního typu. Tyto reaktory mají výhodu oproti typům se sesuvným ložem v možnosti použití
různých paliv, včetně paliv s vyšším obsahem popela a pružnosti vůči změnám v obsahu vlhkosti a popela, nižší
reakční teploty nečiní potíže s bodem měknutí popelovin a snižují vznik nánosů. U těchto reaktorů však bývá ve
vyprodukovaném plynu vyšší obsah prachu a někdy i dehtů. U fluidních generátorů je maximální teplota v loži
omezena teplotou měknutí popela, doba setrvání však může být podstatně delší.
Technické parametry reaktoru:
Výkon (v produkovaném plynu)
Příkon ( v palivu)
Spotřeba dřeva
Průtok vzduchu
100 kWt
150 kWt
40 kg/h
150 mn3/h
Zařízení může pracovat jak ve zplyňovacím, tak i spalovacím režimu.
Ing. Lukáš Pravda, VUT Brno, Fak. strojního inženýrství, Technická 2896/2, 616 69 Brno, [email protected]
/ 109 /
Brno 2006
SPALINY
ZEMNÍ PLYN
8
CO,CO2, CH4,
DEHTY
F4
VZDUCH
A
T106
6
T103
F33
Pd21
T105
4
Pd23
1
T102
2
SQ
T104
F32
3
T107
Pd22
T101
7
P5
F31
9
10
5
VZDUCH
Obr. 1 Schéma experimentálního zplyňovacího zařízení BIOFLUID 100
(1) – zásobník paliva, (2) – hrablo, (3) – šnekový podavač, (4) – fluidní reaktor, (5) – dmychadlo, (6) – cyklon,
(7) – šnekový podavač úletu, (8) – hořák na ZP, (9) – nádoba na popel, (10) – elektroohřívač
Tab. 1 Průměrné složení energoplynu produkovaného na VUT Brno
složka
x (%obj.)
CO
15,16
CO2
15,85
H2
11,53
CH4
2,77
C2H6
0,22
C2H4
0,09
C2H2
0,01
N2
54,14
O2
0,20
a stopová množství dalších složek:
- vyšší uhlovodíky
- BTX (benzen, toluen, xylen,....)
- dehet
- popeloviny, nedopal, …..
- H2S, SOx, ….
- HCN, NH3, NOx, ….
- HCl, HF, PCDD, PCDF, ….
- pevné částice
- sloučeniny síry
- sloučeniny dusíku
- sloučeniny chloru a fluoru
- alkalické kovy, Si
výhřevnost energoplynu: Qid = 4,35 MJ.mn-3
hustota:  = 1,22 kg.mn-3
EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM
Experiment je zaměřen na docílení úspěšného spalování energoplynu vzniklého zplyňováním alternativních paliv
(především biomasy) na experimentálním fluidním atmosférickém generátoru Biofluid 100, s cílem dosáhnout
optimální spálení plynu v experimentální spalovací komoře za tím účelem navržené, tj. dokonalé spálení při
dodržení emisních charakteristik (NOx, SO2, CO, CO2, O2, tuhé látky, HCl, HF, PCB, PCDD/F, PAH).
/ 110 /
Brno 2006
Experimentální část se skládá z následujících dílčích etap:





návrh experimentu
příprava experimentu
realizace experimentu
zpracování výsledků experimentu
zhodnocení a posouzení experimentu
A) Zdůvodnění použití experimentu:
Pro zajištění využití energoplynu z alternativních paliv (biomasy) jeho spalováním ve spalovací komoře je použito
experimentu. Je tak učiněno z následujících důvodů:




spalování energoplynu ve spalovací komoře je jedním ze způsobů jeho využití
nežádoucí látky obsažené v energoplynu způsobují při jeho spalování problémy
stanovení vhodného plynového hořáku a vhodných podmínek pro přímé spalování energoplynu
náhrada fosilních paliv
B) Popis experimentu:
 Energoplyn z alternativních paliv (biomasy) je odebírán z odběrového místa zplyňovacího generátoru
(očekávaná teplota 200 – 250°C) a veden experimentální tratí do hořáku spalovací komory, viz. obr. 2.
Obr. 2 Přívod energoplynu experimentální tratí do hořáku
Energoplyn postupně prochází přes:
 (1) experimentální trať, viz obr. 2 – sestává se z trubek a cyklonu pro odloučení kondenzátu
z energoplynu. V místě odběrového místa je předpokládaná teplota energoplynu 200 – 250°C.
Experimentální trať přivádí energoplyn do plynového hořáku. Na jeho konci (těsně před plynovým
hořákem) jsou dvě odběrová místa – pro analýzu složení energoplynu a pro měření teploty energoplynu
na vstupu do plynového hořáku.
 (2) plynový hořák, viz obr. 3 – byl zvolen plynový atmosférický ejekční hořák, který ale po prvních
experimentálních měření bylo zapotřebí modifikovat. Zejména zajistit konstantní přívod primárního a
sekundárního vzduchu po obvodu hořáku.
Obr. 3 Plynový hořák pro spalování energoplynu
/ 111 /
Brno 2006
 (3) spalovací komora, viz obr. 4 – jedná se o válcovou vodou chlazenou spalovací komoru navrženou
spolu s plynovým ejekčním hořákem na OEI. Komora je vybavena průzorem, umožňující pozorování
plamene při spalování a přívodem a odvodem vody pro chlazení spalovací komory.
Obr. 4 Spalovací komora
 (4) komín, viz obr. 5 - slouží k analýze spalin a jejich rozptýlení do okolí. Na vstupu spalin do komína
jsou umístěny odběrová místa pro analýzu spalin. Provádí se měření teploty spalin vystupujících ze
spalovací komory (resp. na vstupu do komína) a analýza složení složek spalin – obsahy CO, CO2, O2,
NOx, SO2, tuhého úletu, HCl, HF, PCB, PCDD/F, PAH.
Obr. 5 Komín
Teplota energoplynu i spalin je měřena digitálním teploměrem COMMETER C 0321. Přístroj je určen pro měření
dvou teplot pomocí připojitelných termočlánkových sond typu K (Ni Cr – Ni) v rozmezí teplot -200 ÷ 1300°C
s možností přímého zobrazení rozdílu obou teplot. Naměřené hodnoty jsou zobrazovány na dvouřádkovém LCD
displeji a mohou být ukládány do paměti. Z paměti je lze vyvolat na displej nebo stáhnout do počítače.
Rozbor složení energoplynu se provede jeho odběrem do „MYŠI“ (skleněná nebo nerezová válcová nádoba na
obou stranách opatřena uzávěry) a následnou analýzou na VŠCHT v Praze.
Vlastní spalovací proces probíhá prostřednictvím plynového atmosférického ejekčního hořáku ve spalovací
komoře.
Plynový ejekční hořák byl zvolen s ohledem na specifické vlastnosti energoplynu, nerovnoměrný průběh
zplyňovacího procesu a předpokladu autoregulačního provozu, jednoduché konstrukce a snadné výroby. Tento
hořák ovšem vykazoval při prvních zkouškách velkou nestabilitu, proto bylo nutné jej upravit, především v podobě
jeho zpevnění pro zajištění stabilní polohy a zajištění regulace konstantního přívodu primárního a sekundárního
/ 112 /
Brno 2006
vzduchu po obvodu hořáku (směšovače a hubice plynového hořáku) a zcela změnit hubici hořáku, viz obr 6.
Vlastní ejekční hořák se sestává z: trysky, směšovače a hubice hořáku.
Obr. 6 Hubice plynového hořáku
Analýza složení spalin z hlediska obsahů CO, CO2, O2, NOx, SO2, tuhého úletu, HCl, HF, PCB, PCDD/F a PAH je
prováděna externí firmou.
Z komína jsou následně spaliny rozptýleny do ovzduší.
V současné době probíhá měření a zpracovávání výsledků, proto zde nebylo možné uvést konkrétní výsledky
měření.
ZÁVĚR
Výše uvedený článek navazuje na dříve uveřejněný autorův článek s názvem “Návrh experimentu pro spalování
energoplynu“, kdy se po provedení dříve navrženého experimentu ukázalo, že je zapotřebí změnit plynový hořák
a upravit spalovací komoru. Dále díky výstavbě tepelných filtrů pro čištění produkovaného energoplynu ze
zařízení Biofluid 100, bylo změněno odběrového místo pro odběr čistějšího energoplynu. Dále na rozdíl od
předcházejícího článku jsou zde zobrazeny fotografie jednotlivých komponent místo jejich schémat.
Energoplyn lze využit jako náhradu fosilních paliv ve výrobních procesech (např. náhrada ZP v cementářských
pecích, ve vápenkách, v cihelnách), a v energetice, kde nachází velmi široké uplatnění. V případě energetických
zařízení může například sloužit jako předtopeniště ke klasickým kotlům na fosilní paliva, nebo jako generátor
plynu určeného k náhradě fosilních plynných paliv v kogenerační výrobě elektrické energie a tepla. Energoplyn,
jako náhrada ZP, lze použít pro vznětové i zážehové motory, pro spalování turbíny (po patřičných úpravách) i
jako topný plyn.
LITERATURA
[1] Bridgwater, A. V.: The Technical and Economical Feasibility of Biomass Gasification for Power Generation,
Fuel, Vol. 74, No.5, pp. 631 – 653, 1995
[2] Fík, J.: Spalování plynných paliv a plynové hořáky. Informační systém GAS č. 24. GAS, s.r.o., První vydání,
ISBN 80-86176-01-0, Praha 1998
[3] Pravda, L.: Využití Energoplynu z Alternativních Paliv ve Spalovací Komoře. Písemné pojednání ke státní
doktorské zkoušce. VUT Brno, 2004, 57 str.
/ 113 /
Brno 2006
/ 114 /
Brno 2006
SPALOVACÍ ZKOUŠKY VYBRANÝCH TUHÝCH PALIV V KOTLI VERNER A25
Daniel Tenkrát, Ondřej Prokeš, Viktor Tekáč, Zbyněk Bouda, Jaroslav Emmer
Otázka energetického využívání biomasy, přesněji řečeno rychle rostoucích energetických plodin, je v posledních
letech stále populárnější. Výzkum se z větší části zaměřuje na „exotické“ energetické plodiny, u kterých jsou
v laboratorních podmínkách dosahovány dobré výsledky, avšak v praxi vykazují tyto rostliny daleko nižší výnosy
a mají větší nároky (škůdci, hnojení apod.). Otázkou tedy zůstává, zda není vhodné energeticky využívat
přebytky plodin, které jsou v našich podmínkách adaptované, mají vysoké výnosy, zemědělci mají dostatek
zkušeností s pěstováním těchto plodin a disponují vhodnou technikou. Tento příspěvek přináší výsledky a
zkušenosti z praktických spalovacích zkoušek vybraných vzorků zemědělských plodin v kotli VERNER A25.
Klíčová slova: biomasa, spalování, emise, malé zdroje znečišťování
ÚVOD
Všechna měření uvedená v tomto příspěvku byla součástí projektu řešeného Energetickou agenturou Vysočiny.
V jejich rámci byly provedeny jednorázové emisní spalovací zkoušky 4 druhů tuhých paliv z obnovitelných zdrojů
v automatickém kotli VERNER A25, který je určen pro spalování pelet a výrobcem je odzkoušen i pro spalování
jiných alternativních paliv (obilí apod.).
Cílem těchto zkoušek bylo porovnat testovaná paliva z hlediska emisí znečišťujících látek do venkovního
ovzduší. Měřeny byly hmotnostní koncentrace a hmotnostní toky základních znečišťujících látek – oxidu
uhelnatého, oxidů dusnatého a dusičitého vyjádřených sumárně jako NO2, oxidu siřičitého, organických sloučenin
vyjádřených sumárně jako celkový organický uhlík (TOC) a tuhých znečišťujících látek (TZL). S ohledem na
orientační rozsah prováděných měření nebyly určeny měrné výrobní emise. Z tohoto důvodu jsou zjištěné emisní
charakteristiky semikvantitativní povahy umožňující navzájem porovnat testovaná paliva při jejich spalování
v uvedeném kotli. Nelze jich použít pro absolutní bilanční emisní výpočty.
Spalovací zkoušky byly prováděny v sériovém automatickém teplovodním kotli VERNER A25 o jmenovitém
tepelném výkonu 25 kW instalovaném v rodinném domku v Hněvkovicích u Humpolce. Jedná se o typickou
instalaci bez vybavení měřicí tratí umožňující provádět souběžné měření všech veličin nutných pro on-line měření
emisí. Proto byl kouřovod spojující kotel se zděným komínem dodatečně opatřen otvory pro vzorkování spalin a
měření jejich fyzikálně chemických parametrů. Umístění měřicího průřezu z velké části odpovídá požadavkům
příslušných technických norem pro měření emisí zdrojů znečištění ovzduší. V této souvislosti je nutno
podotknout, že měření emisí spalovacích energetických zařízení s jmenovitým tepelným výkonem do 200 kW
není vyžadováno zákonem, a proto technické nedostatky zvoleného měřicího místa nijak nezpochybňují
naměřené hodnoty, pouze zvyšují nejistotu výsledků měření nad úroveň zaručenou příslušnými mezinárodními
technickými normami.
Byly testovány celkem čtyři typy pevných paliv:
-
alternativní pelety,
-
pšenice,
-
oves,
-
bílé pelety.
Oves a pšenice byli hlavním testovaným palivem a alternativní pelety (směs zemědělských rostlinných zbytků) a
bílé pelety sloužily spíše jako referenční palivo.
Ing. Daniel Tenkrát, Ph.D.; Ing. Ondřej Prokeš, Ph.D. Ing. Viktor Tekáč, Ph.D.; VŠCHT Praha, Ústav plynárenství,
koksochemie a ochrany ovzduší, Technická 5, 166 28 Praha, [email protected]
Ing. Zbyněk Bouda; Ing Jaroslav Emmer; Energetická Agentura Vysočiny, Jiráskova 65, 58601 Jihlava.
/ 115 /
Brno 2006
V průběhu zkoušky bylo dávkováno vždy 10 kg testovaného paliva, režim spalování odpovídal maximálnímu
dosažitelnému tepelnému výkonu kotle za daných podmínek. Vzhledem ke zvolenému množství paliva a
časovým prodlevám mezi jednotlivými spalovacími zkouškami lze předpokládat, že při všech testech bylo
dosaženo srovnatelného tepelného výkonu a lze proto i navzájem porovnat zjištěné emisní charakteristiky
jednotlivých paliv. Pro výpočet měrných výrobních emisí znečišťujících látek by bylo nutno na jedné straně
provádět kontinuální měření tepelného výkonu kotle, jednak kontinuálně měřit spotřebu paliv a dále provést jejich
úplný palivový rozbor. Nastavení kotle (množství a frekvence dávkování paliva, intervaly roštování) bylo
provedeno individuálně pro jednotlivá paliva dle doporučení výrobce kotle.
A- kotel, B- vyhřívaný filtr, C- vyhřívaná odběrová trať, D- TOC analyzátor, E- CO, CO2, O2, NOx, SO2, analyzátor,
F- stanovení TZL, G- oddělovač kondenzátu, H- membránové čerpadlo, I- CO, CO2, O2, NOx, SO2, analyzátor,
J- kouřovod1- měření tlaku spalin, 2- měření rychlosti spalin, 3- měření teploty spalin, 6- plynoměr
Obr. 1 Celkové schéma měření
POUŽITÉ PŘÍSTROJE A POSTUPY
S ohledem na technické možnosti měřicího stanoviště bylo měření emisí provedeno jednak kontinuálně
pracujícími přístroji (obsah plynných složek spalin), jednak tzv. manuálními metodami (prašnost a fyzikální
vlastnosti proudících spalin).
Stanovení fyzikálních parametrů plynů
Teplota proudících spalin byla měřena termočlánkem NiCr-Ni s vyhodnocovací jednotkou GMH-3250 (výrobce
Greisinger Electronic, SRN).
Rychlost proudících spalin byla měřena Prandtlovou trubicí (Airflow) a elektrickými membránovými diferenčními
tlakoměry (Greisinger Electronic a Ahlborn). Pro kontrolu ustáleného průběhu spalovacího procesu bylo použito
kontinuálně pracujícího vysokoteplotního titanového vrtulkového anemometru HOENTZSCH, který byl rovněž
využit pro řízení vzorkovacího zařízení DESAGA GS 312 (viz dále).
/ 116 /
Brno 2006
Atmosférický tlak byl měřen elektrickým barometrem. Atmosférická teplota byla měřena elektrickým teploměrem.
K určení vlhkosti ovzduší bylo použito kapacitního elektrického vlhkoměru (Greisinger Electronic, SRN).
Stanovení CO, NO+NO2, SO2, O2, CO2 a vodní páry
Pro stanovení obsahu anorganických plynných znečišťujících látek a některých majoritních složek spalin byl
použit kontinuálně pracující multikomponentní analyzátor Horiba PG 250. Odběr vzorku pro analýzu byl proveden
přenosnou jednotkou úpravy vzorku PSS-5 (výrobce M&C, Rakousko). Jednotka je tvořena vyhřívaným vstupním
filtrem, vyhřívanou teflonovou hadicí, teflonovým membránovým čerpadlem plynů a Peltierovým chladičem spalin
s příslušnou řídící elektronickou jednotkou. Teplota chladiče byla nastavena na +2°C.
Parametry analyzátoru Horiba PG 250 jsou uvedeny v Tab. 1. Naměřené objemové zlomky všech složek jsou
průběžně zobrazovány na displeji a současně mohou být ukládány do dataloggeru nebo mohou být přímo
zpracovávány připojeným PC. K nastavení měřicího rozsahu bylo použito vzduchu (nulovací plyn pro plynné
anorganické znečišťující látky a CO2) a certifikovaných kalibračních plynných směsí (Technoplyn Linde a Messer
Griesheim).
Tab. 1 Charakteristika analyzátoru HORIBA PG 250
Analyt
O2
Měřicí princip
paramagnetický
Jmenovité měřicí rozsahy
0% až 5 %, 0% až 10 % a 0% až 25 %
CO
nedisperzní infračervená absorpční (0 ÷ 200) ml/m3, (0 ÷ 500) ml/m3, (0 ÷ 1000) ml/m3, (0 ÷ 2000) ml/m3
spektroskopie (NDIR)
a (0 ÷ 5000) ml/m3
CO2
NDIR
0 % až 5 %, 0 % až 10 % a 0 % až 20 %
SO2
NDIR
(0 ÷ 200) ml/m3, (0 ÷ 500) ml/m3, (0 ÷ 1000) ml/m3, (0 ÷ 3000) ml/m3
NO
chemiluminiscence
(0 ÷ 25) ml/m3, (0 ÷ 50) ml/m3, (0 ÷ 100) ml/m3, (0 ÷ 250) ml/m3,
(0 ÷ 500) ml/m3, (0 ÷ 1000) ml/m3 a (0 ÷ 2500) ml/m3
NO2
chemiluminiscence s předřazeným (0 ÷ 25) ml/m3, (0 ÷ 50) ml/m3
konvertorem
Relativní nejistota měření
Pro všechny analyty a rozsahy ± 2 % z naměřené hodnoty
Manuální stanovení obsahu vodní páry v proudících spalinách bylo provedeno přístrojem TESTO 350 XL
s přídavnou sondou určenou pro měření relativní vlhkosti plynu o teplotě až 180 °C s nejistotou ± 2 % (absolutní
nejistota relativní vlhkosti). Tohoto přístroje (osazen elektrochemickými senzory) bylo rovněž použito pro kontrolní
měření složení spalin vystupujících ze vzorkovacího zařízení pro měření hmotnostní koncentrace tuhých
znečišťujících látek. Parametry přístroje jsou shrnuty v Tab. 2.
Stanovení celkového organického uhlíku
Ke kontinuálnímu stanovení celkového obsahu organických látek vyjádřených jako celkový
organický uhlík (TOC) bylo použito analyzátoru M145 (VAMET, Satalice). Přístroj je určen ke
kontinuálnímu měření obsahu organických látek v plynných médiích. K určení celkového obsahu
organických spalitelných látek vyjádřených jako celkový organický uhlík využívá plamenového
ionizačního detektoru (FID). Přístroj udává obsah organických látek v analyzované vzdušině jako
objemový zlomek kalibrační složky (propanu) v kalibračním plynu. K nastavení měřicího rozpětí bylo
použito nulovacího plynu a certifikované referenční plynné směsi obsahující (80,8 ± 1,7) ml/m3 propanu
v syntetickém vzduchu (Linde Technoplyn).
/ 117 /
Brno 2006
Stanovení tuhých látek
Obsah tuhých znečišťujících látek v aerosolu vypouštěném do ovzduší byl stanoven gravimetricky v souladu
s ČSN EN 13284-1:2002 a ČSN ISO 9096:1998. Aerosol byl odebírán titanovou sondou s plochým křemenným
vláknitým filtrem umístěným přímo ve vzorkovacím průřezu (tzv. interní filtrace). Odebraná vzdušina byla vedena
nejdříve do odlučovače vodní páry, odběrního čerpadla a regulátoru průtoku DESAGA GS 312. Toto zařízení
umožňuje odběr vzorku za předem nastavených odběrních podmínek bez ohledu na kolísání tlaku v kouřovodu,
dále umožňuje vysušení vzorku plynu prošlého filtry a konečně výpočet objemu vzorku plynu za stanovených
podmínek (přístroj měří kontinuálně teplotu a tlak v elektronickém plynoměru a provádí přepočet na požadované
podmínky). Celková hmotnost tuhých částic zachycených na filtru byla zjištěna gravimetricky.
Tab. 2 Technické parametry přístroje TESTO 350 XL
Veličina
Měřicí rozsah
Rozlišení
Nejistota
Obsah analytů
ϕ (O 2 )
(0 – 25,0) %
0,1 %
ϕ (CO)
(0 – 500) ml/m3
0,1 ml/m3
ϕ (NO)
(0 – 300) ml/m3
0,1 ml/m3
ϕ (NO 2 )
(0 – 500) ml/m3
0,1 ml/m3
(0 – 100) %
0,1%
ϕ rel (H 2 O)
teplota okolí
teplota spalin
přetlak, podtlak
přebytek vzd.
účinnost spal.
± 2 ml/m3 pro hodnoty do 40 ml/m3 ± 5 % měřené hodnoty pro
hodnoty nad 40 ml/m3
± 2 % (absolutní nejistota relativní vlhkosti)
Ostatní měřené veličiny
0,1 °C
± 0,5 % z měřené hodnoty
0,1 °C
1 Pa
Veličiny určené výpočtem
(- 20 až +60) °C
(1 až 1200) °C
± 2000 Pa
ϕ (CO 2 )
± 0,8 % měřené hodnoty
0% až 20 %
0,01 %
-
1,0 až ∞
0 % až 120 %
0,1 %
0,1 %
-
VÝSLEDKY MĚŘENÍ
V tabulce 3 jsou uvedeny základní charakteristiky paliv a v tabulce. 4 jsou uvedeny veličiny, které podle
příslušných technických norem charakterizují geometrii zvoleného měřicího průřezu. V tabulce 5 jsou shrnuty
fyzikálně chemické parametry proudících spalin pro jednotlivá testovaná paliva. Údaje z této tabulky byly použity
pro výpočet hmotnostního toku jednotlivých znečišťujících látek (viz dále).
Pro posouzení emisí slouží údaje uvedené tabulkách 6, 7 a 8.
Tab. 3 Charakteristika použitých paliv
W (hm. %)
Ad (hm. %)
Nedopal (hm. %)
Qi (MJ/kg)
Oves
12,2
2,6
22
15
Pšenice
12,9
3,3
32
15
Alternativní pelety
11,8
8,2
4
15
Bílé pelety
7,5
0,28
0
19
/ 118 /
Brno 2006
Tab. 4 Veličiny charakterizující měřicí průřez kouřovodu
Průměr kruhového průřezu potrubí
Hydraulický průměr potrubí
Plocha vzorkovacího průřezu
Délka přímého úseku potrubí
Délka přímého úseku potrubí za průřezem
Počet vzorkovacích bodů
d
dH
A
L
Lz
n
[mm]
[mm]
[m2]
150
150
0,01767
0,8
0,4
1
[m]
[m]
[-]
Tab. 5 Fyzikálně chemické vlastnosti proudících spalin
Veličina
Značka
Jednotka
Alternat.
pelety
Pšenice
Oves
Bílé
pelety
Průměrná teplota spalin
ϑ
[°C]
214
223
195
201
Průměrný statický tlak spalin
p
ϕ ′(H 2O)
ϕ m (O 2 )
[kPa]
95,38
95,38
95,58
95,58
[%]
7,2
4,8
7,7
9,1
[%]
15,5
14,4
15,8
14,6
[%]
4,8
5,9
4,5
5,8
[kg/m3]
[m/s]
0,67
0,68
0,70
0,69
2,8
2,8
2,4
2,4
[m3/h]
178
178
153
152
[m3/h]
49,6
57,7
40,0
47,8
Průměrná vlhkost spalin
Průměrný obsah O2 v suchých spalinách
Průměrný obsah CO2 v suchých spalinách ϕ m (CO 2 )
ρ′
Průměrná hustota spalin
Průměrná rychlost proudění spalin
v′
Průměrný průtok spalin za provozních q ′
V
podmínek
Průměrný
průtok
suchých
spalin
s referenčním obsahem kyslíku 11 % za q VN, r
normálních podmínek
Tab. 6 Průměrné přepočtené objemové zlomky oxidu uhelnatého v suchých spalinách s referenčním obsahem
kyslíku 6 % (limit. hodnota podle přílohy č. 7 k nařízení vlády č. 352/2002 Sb. činí COmax = 1000 ml/m3)
Palivo
Změřený přepočtený objemový zlomek CO
1 480 ml/m3
Pšenice
Oves
Bílé pelety
830 ml/m3
1 730 ml/m3
270 ml/m3
Tab. 7 Průměrné hmotnostní koncentrace znečišťujících látek (suché spaliny, normální podmínky a 11 %kyslíku)
Palivo
ρ N,r (CO)
Pšenice
Oves
Bílé pelety
1230
690
1440
222
1100
1060
920
192
154
172
110
22
84
114
67
24
mg/m3
166
281
112
175
650
650
2 500
50
250
Limitní hodnota
A)
B)
C)
D)
mg/m3
D)
ρ N,r (NO 2 )
mg/m3
A)
ρ N,r (SO 2 )
mg/m3
ρ N,r (TOC)
mg/m3
B)
ρ N,r (TZL) C)
celkový obsah oxidů dusnatého a dusičitého vyjádřených jako oxid dusičitý
celkový obsah organických látek vyjádřených jako celkový organický uhlík
TZL = tuhé znečišťující látky
pro testovaný kotel nejsou s výjimkou uvedenou v Tab. VII stanoveny žádné zákonné emisní limity; uvedené hodnoty
platí pro střední a velké zdroje znečišťování ovzduší spalující dřevo a biomasu a zde jsou uvedeny pouze pro ilustraci
/ 119 /
Brno 2006
Tab. 8 Průměrné hmotnostní toky znečišťujících látek
A)
B)
C)
Palivo
qm (CO)
Pšenice
Oves
Bílé pelety
61,0
39,8
57,6
10,6
g/h
qm (NO 2 )
A)
g/h
qm (SO 2 )
g/h
54,6
61,2
36,8
9,2
7,6
9,9
4,4
1,1
qm (TOC)
g/h
4,2
6,6
2,7
1,1
B)
qm (TZL)
C)
g/h
8,2
16,2
4,5
8,4
oxidy dusnatý a dusičitý vyjádřené jako sumárně oxid dusičitý
nespálené organické látky vyjádřené jako celkový organický uhlík
TZL = tuhé znečišťující látky
ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ
Je třeba připomenout, že zjištěné emisní hodnoty jsou semikvantitativní povahy, a to z důvodu nedefinovaného
provozního stavu kotle. Neznalost míry ustálenosti neumožnila určit fundamentální emisní veličinu – měrnou
výrobní emisi vztaženou na vyrobené užitečné teplo přenesené do okruhu ústředního vytápění domku.
Jediná zákonem požadovaná emisní veličina pro dané zařízení je uvedena v Tab. 5. Zjištěné referenční
objemové zlomky oxidu uhelnatého jsou prakticky rovny limitní hodnotě 1000 ml/m3. Překročení limitu v případě
alternativních pelet a ovsa lze vysvětlit nedostatečným tepelným výkonem kotle v době měření emisí oxidu
uhelnatého. Platná metodika měření podle nařízení 352/2002 Sb. vyžaduje, aby měření obsahu uhelnatého ve
spalinách bylo prováděno vždy při jmenovitém výkonu kotle. To je ale v přímém rozporu s požadavky uvedenými
například ve vyhlášce 356/2002. Ta pro střední, velké a zvláště velké spalovací zdroje vyžaduje, aby při
jednorázovém měření emisí zdroje již uvedeného do trvalého provozu byl kotel provozován nikoliv při
jmenovitém, ale při maximálním dosažitelném výkonu.
Porovnáním naměřených hmotnostních koncentrací znečišťujících látek s limitními hodnotami pro střední a větší
zdroje (Verner A25 je malým spalovacím zdrojem) lze dospět k závěru, že emise látek vznikajících při spalování
biomasy ve výše uvedeném kotli jsou na přijatelné výši. V praxi je zcela běžné, že u velké části středních zdrojů
starší konstrukce bývá emisní limit např. u oxidu uhelnatého a celkového organického uhlíku několikasetnásobně
překročen. Z údajů o hmotnostních koncentracích i hmotnostních tocích vyplývá, že nejlepších výsledků bylo
dosaženo v případě spalování bílých pelet – jedná se evidentně o palivo, pro které byl kotel A25 jeho výrobcem
již „odladěn“. Podobně dobrých výsledků bylo pro většinu sledovaných znečišťujících látek dosaženo i při
zpracování ovsa. Ani u jediné znečišťující látky není překročení hypotetického emisního limitu více než
dvojnásobné. Proto provedená emisní měření potvrdila předpoklad, že z hlediska ochrany životního prostředí
jsou všechny testované vzorky biomasy v kombinaci s automatickým kotlem Verner A25 racionálním zdrojem
tepelné energie pro individuální domácnosti. Množství emisí ze spalování alternativních paliv lze u použitého
kotle dále snižovat, a to především optimalizací provozních parametrů (dávkování paliva, roštování apod.) pro
jednotlivá alternativní paliva.
/ 120 /
Brno 2006
[1] ČSN EN ISO/IEC 17025 Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří, ČSNI
Praha 2001.
[2] ČSN EN 13284-1 Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hmotnostních koncentrací prachu –
Manuální gravimetrická metoda, ČSNI Praha 2002.
[3] ČSN ISO 9096 Stacionární zdroje emisí - Stanovení hmotnostní koncentrace a hmotnostního toku tuhých
částic v potrubí - Manuální gravimetrická metoda, ČSNI Praha 1998.
[4] ČSN ISO 10780 Stacionární zdroje emisí - Měření rychlosti a průtoku plynů v potrubí, ČSNI Praha 1998.
[5] ČSN EN 12619 Stacionární zdroje emisí – Stanovení nízkých hodnot hmotnostní koncentrace celkového
plynného organického uhlíku ve spalinách – Kontinuální metoda využívající plamenového ionizačního
detektoru, ČSNI Praha 2000.
[6] ENV 13005 Guide to the expression of uncertainity in measurement, CEN Brusel 1999.
[7] Nařízení vlády č. 352/2002 Sb. ze dne 3. července, kterým se stanoví emisní limity a další podmínky
provozování spalovacích stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší.
[8] Vyhláška č. 356/2002 Sb. ze dne 11. července, kterou se stanoví seznam znečišťujících látek, obecné
emisní limity, způsob předávání zpráv a informací, zjišťování množství vypouštěných znečišťujících látek,
tmavosti kouře, přípustné míry obtěžování zápachem a intenzity pachů, podmínky autorizace osob,
požadavky na vedení provozní evidence zdrojů ovzduší a podmínky jejich uplatňování.
[9] Suchánek M. (Ed.) : Kvalimetrie – 11. Stanovení nejistoty analytického měření, Eurachem ČR, Praha 2001.
[10] Zákon č. 86/2002 Sb. ze dne 14. února o ochraně ovzduší a změně některých dalších zákonů.
/ 121 /
Brno 2006
/ 122 /
Brno 2006
VLIV EXPERIMENTÁLNÍCH PODMÍNEK NA SLOŽENÍ PLYNU ZE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY
A PLASTŮ VE FLUIDNÍ VRSTVĚ
Martin Vosecký1,2, Michael Pohořelý1,3, Petra Kameníková1,2, Sergej Skoblja1,2, Bohumil Koutský2,
Miroslav Punčochář1
Zplyňování obnovitelných či alternativních paliv, kterým jsou zde biomasa a odpadní plasty, představuje
zajímavou možnost úspory fosilních paliv a též zhodnocení jinak nevyužitého odpadu. Vhodným zplyňovacím
generátorem je pro taková paliva generátor fluidní. V této práci byl studován vliv primárních metod čištění
(teplotních poměrů v reaktoru a materiálu fluidního lože) na kvalitu generátorového plynu.
Klíčová slova: biomasa, plasty, zplyňování, fluidní lože.
ÚVOD
Energetické využívání alternativních paliv je jednou z priorit Evropské unie. Pro oblast nakládání s odpady se
alternativním palivem rozumí komunální nebo jiný odpad, popřípadě jeho dílčí část, jako jsou například plasty.
V České republice je však většina komunálního odpadu ukládána na skládky, energeticky se využívá pouze
menší část, a to především ve spalovnách komunálního odpadu k výrobě tepla. Odpadní plasty, které by byly
jinak skládkovány, je možné smísit buď s fosilními palivy [1] nebo s obnovitelným palivem, například dřevem, a
efektivně energeticky využít.
V současné době jsou hledány procesy umožňující využití tuhých paliv s vyšší účinností přeměny energie vázané
v palivu na energii elektrickou. Univerzálním procesem využitelným pro celé spektrum paliv je zplyňování.
Předností zplyňování je zejména úspora primárních paliv, která souvisí se zmíněnou vyšší účinností procesu.
Další přednosti jsou dány principem zplyňování, při němž palivo podstupuje za vysokých teplot a za
spolupůsobení zplyňovacího média (nejčastěji vzduchu, kyslíku nebo vodní páry) konverzi na energeticky
hodnotnou směs plynů. Produkovaný plyn se čistí od nežádoucích složek (prach, dehty, HCl, HF, sirné a dusíkaté
látky) a poté dále využívá pro výrobu elektrické energie, například v motorech nebo plynových turbínách.
Spalování plynného paliva umožňuje oproti tuhým palivům spalování za menších přebytků spalovacího vzduchu,
a tedy s vyšší účinnosti. Složky, které by při spalování vytvářely emise nežádoucích látek, jsou odstraněny ještě
před spalováním, proces je tedy čistší.
Zvládnutí čištění plynu po zplyňování je klíčové pro praktické aplikace zplyňovacího procesu. Přestože
požadovaná čistota plynu může být pro jednotlivé aplikace značně rozdílná, obecně lze říci, že odstranění
prachu, dehtů a sirných látek je nezbytné vždy. Čisticí technologie můžeme v zásadě rozdělit na primární a
sekundární, tak jak pro příklad odstraňování dehtů ukazuje Obr. 1. Jsou-li nečistoty odstraňovány či je-li cíleně
omezován jejich vznik přímo při zplyňování, hovoříme o primárních opatřeních při čištění plynu. Tyto metody
nelze použít pro každou technologii zplyňování (např. pro sesuvné generátory), fluidní technologie je naopak
velmi vhodnou. Žádaného efektu odstranění dehtovitých látek můžeme využít například dávkováním aktivního
materiálu do fluidní vrstvy. Zásadní výhodou tohoto přístupu je minimalizace nákladů na čištění, neboť zplyňovací
zařízení vyžaduje jen minimum úprav pro dávkování aktivního materiálu. Nevýhodou je ovšem ve většině případů
nedostatečná kvalita plynu, proto je třeba použít i sekundárních opatření, pod nimiž se rozumí odstraňování
nečistot mimo zplyňovací generátor za pomoci přídavných technologií. Primární opatření tak hrají roli především
ve spolehlivé předúpravě plynu pro sekundární metody. Vhodně zvolenou kombinací obou metod lze dosáhnout
požadované kvality plynu za nákladů nižších, než při použití samotných sekundárních technologií.
Ing. Martin Vosecký, Ústav chemických procesů AV ČR, Rozvojová 135, Praha 6 a Ústav plynárenství koksochemie a
ochrany ovzduší, VŠCHT v Praze, Technická 5, Praha 6; e-mail: [email protected]
1 Ústav chemických procesů Akademie věd ČR, Rozvojová 135, 165 02 Praha 6
2 Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, 166 28
Praha 6
3Ústav energetiky, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, 166 28 Praha 6,
/ 123 /
Brno 2006
Palivo
Čistý plyn
Zplyňování
+
Odstr. dehtu
Zplyňovací médium
Plyn bez dehtu
Čištění
Nečistoty
Dehet
a) primární metody
Čistý plyn
Palivo
Zplyňování
Surový
plyn
Čištění
Dehet +
nečistoty
Zplyňovací médium
b) sekundární metody
Obr. 1: Dělení metod čištění plynu po zplynění na: a) primární, b) sekundární.
Práce se zabývá zplyňováním biomasy spolu s odpadními plasty v experimentálním atmosferickém fluidním
zplyňovacím generátoru při zplyňování vzduchem, nebo směsí kyslíku a dusíku. Jako modelový odpadní plast byl
vybrán polyethylentereftalát (PET), a to kvůli své větší tepelné odolnosti oproti ostatním uvažovaným plastům,
která umožnila jeho bezproblémové dávkování do experimentálního zařízení. Při experimentech byl kladen důraz
na sledování účinku primárních metod čištění generátorového plynu na jeho kvalitu. Za tím účelem bylo
sledováno složení produkovaného plynu v závislosti na teplotních poměrech v reaktoru (teplota fluidní vrstvy,
teplota freeboardu) a na různých materiálech fluidní vrstvy (písek, dolomit, olivín).
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Zplyňovací experimenty byly uskutečněny na atmosférickém fluidním zplyňovacím generátoru. Reakční prostor je
tvořen svislým válcem ze žáruvzdorné nerezavějící oceli o průměru 50 mm v prostoru 500 mm nad roštem,
v horní části pak 100 mm. Celková výška generátoru je 2200 mm. Jako zplyňovací médium slouží vzduch nebo
směs 10 obj.% kyslíku v dusíku o průtocích 2,1-2,5 m3.hod-1. Médium je elektricky předehříváno a vedeno pod
rošt, který je umístěn ve spodní části reakčního prostoru. Zplyňovací generátor je k vyrovnání tepelných ztrát
otápěn elektrickým topením rozděleným na tři nezávislé segmenty, což umožňuje nastavení teploty zvlášť ve
fluidní vrstvě a zvlášť ve dvou sekcích v prostoru nad vrstvou.
Nad roštem se nachází fluidní vrstva tvořená pískem, olivínem nebo dolomitem o frakci 0,25-0,335 mm a o
objemu 550-750 ml. Palivo, které je tvořeno směsí 85 hm.% biomasy (dřevěné drti) s 15 hm.%
polyethylentereftalátu (PETu), je ze zásobníku dávkováno šnekovým podavačem s následným
pneumotransportem inertním plynem. K pneumotransportu je využit z bezpečnostních důvodů dusík o průtoku 1,6
m3.hod-1. Dávkování paliva, průtoky zpyňovacího média a pneumotransportu odpovídají zplyňovacímu poměru
(koeficientu přebytku vzduchu) 0,20-0,70. Surový generátorový plyn vystupující z reaktoru je od tuhých látek
čištěn v cyklónovém odlučovači, za kterým je plyn odebírám pro analýzy složení, které se provádí odběrem
vzorků do skleněných odběrových nádob (tzv. myší) a následnou analýzou na plynovém chromatografu
s plamenoionizačním a tepelně-vodivostním detektorem.
Vzhledem k použití různých zplyňovacích médií a též nepatrně odlišných experimentálních podmínek u
jednotlivých pokusů jsou všechny výsledky přepočítány jako by bylo zplyňování prováděno vzduchem a dále
uváděná procenta jsou objemové zlomky, pokud není označeno jinak.
/ 124 /
Brno 2006
VÝSLEDKY A DISKUSE
Vliv zplyňovacího poměru na složení plynu
Složení plynu (obj.%)
Zplyňovací poměr, nebo jinak také koeficient přebytku vzduchu či lambda, je jedním z rozhodujících faktorů
určujících složení produkovaného plynu. Získaná závislost složení plynu na zplyňovacím poměru je pro
zplyňování
biomasy
a
plastu
uvedena na
Obr. 2.
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
Zplyňovací poměr
CO2
H2
CH4
CO
Suma minoritních složek
Obr. 2: Složení generátorového plynu v závislosti na zplyňovacím poměru při zplyňování biomasy a plastu,
podmínky: biomasa + 15 hm.% PET, tfluidní lože = 760°C (λ =0,24); 849 ±2 °C (λ =0,41=0,68), tfreeboard= 899 ±2°C.
-3
Výhřevnost (MJ.m )
S rostoucím zplyňovacím poměrem se reakční pochody posouvají ze zplyňovací oblasti více do oblasti spalování,
což ilustruje vzrůstající koncentrace CO2 a klesající koncentrace CO se vzrůstajícím zplyňovacím poměrem (viz
Obr. 2). S tím souvisí i pokles koncentrací ostatních spalitelných složek generátorového plynu, jako jsou H2, CH4
a ethanu, ethylenu, acetylenu, benzenu aj., které jsou v Obr. 2 souhrnně označeny jako minoritní složky. Menší
obsah spalitelných složek musí mít negativní vliv na výhřevnost plynu, se vzrůstajícím zplyňovacím poměrem
tedy dochází k podstatnému snížení výhřevnosti plynu. Vztah mezi výhřevností suchého generátorového plynu a
zplyňovacím poměrem je ilustrován na Obr. 3.
12
10
8
6
4
2
0
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
Zplyňovací poměr
Obr. 3: Výhřevnost suchého generátorového plynu v závislosti na zplyňovacím poměru při zplyňování biomasy a
plastu, podmínky: biomasa + 15 hm.% PET, tfluidní lože = 760°C (λ =0,24); 849 ±2 °C (λ =0,41=0,68), tfreeboard= 899
±2°C.
Vliv teplotních poměrů v reaktoru na složení plynu
Teplota je v reaktoru sledována ve dvou bodech, první je umístěn přímo ve fluidní vrstvě a druhý v prostoru nad
vrstvou, v tzv. freeboardu. Sledování složení plynu v závislosti na teplotních poměrech v reaktoru je přínosné
především proto, že z pozorovaných vztahů mezi složením plynu a teplotami je možno nepřímo usuzovat na děje
odehrávající se v generátoru, respektive na to, odehrávají-li se klíčové reakce ve vrstvě nebo ve freeboardu.
Další přínos je ve znalosti do jaké míry lze složení generátorového plynu ovlivnit pouhou změnou teplot
/ 125 /
Brno 2006
v generátoru. Zastoupení jednotlivých hlavních složek generátorového plynu v závislosti na teplotě freeboardu je
uvedeno na následujícím obrázku (Obr. 4).
20
15
10
5
0
840
890
940
Teplota freeboardu (°C)
CO2 H2 CH4 CO
990
Obr. 4: Složení generátorového plynu v závislosti na teplotě freeboardu při zplyňování biomasy a plastu,
podmínky: biomasa + 15 hm.% PET, λ = 0,41, tfluidní lože = 846±6°C.
Z Obr. 4 je patrné, že koncentrace CO, CO2 a CH4 nevykazuje v měřeném intervalu 856 – 978°C významnou
závislost na teplotě freeboardu, koncentrace CO je 14,3 ± 0,5 %, CO2 15,8 ± 0,4 % a CH4 3,2 ± 0,2 %. Tvorba
CH4 je závislá především na tlaku, metanizační reakce vedoucí k tvorbě CH4 nevykazují významnou závislost na
teplotě [2]. Koncentrace CO a CO2 se též příliš nemění, tyto dvě sloučeniny vystupují v mnoha reakcích, při
kterých vznikají a zanikají, zřejmě jejich vzájemná protichůdnost způsobuje minimální změny v jejich
koncentracích. Oproti výše zmíněným složkám plynu roste koncentrace H2 s rostoucí teplotou freeboardu,
z hodnoty 4,5 % při 856°C na 6,9 % při 978°C. Rostoucí koncentraci H2 je možno vysvětlit skutečností, že H2 je
jedním z konečných produktů rozkladných reakcí vyšších uhlovodíků a dehtů a tyto rozkladné reakce nabývají na
významu s rostoucí teplotou, což je doloženo dále.
Závislost vybraných minoritních složek, a to ethanu, ethylenu, acetylenu, benzenu a toluenu, na teplotě
freeboardu je patrná z následujícího obrázku (Obr. 5). Koncentrace všech složek s výjimkou acetylenu s rostoucí
teplotou freeboardu klesají. Je to patrně dáno již zmíněnými rozkladnými reakcemi vyšších uhlovodíků. Oproti
tomu acetylen je díky své vysoké termodymanické stabilitě koncovým produktem mnohých rozkladných reakcí
[1,3].
1,5
1,0
0,5
0,0
840
ethan
890
940
ethylen
acethylen
benzen
toluen
990
ostatní
Obr. 5: Zastoupení minoritních složek generátorového plynu v závislosti na teplotě freeboardu při zplyňování
biomasy a plastu, podmínky: biomasa + 15 hm.% PET, λ = 0,41, tfluidní lože = 846±6°C.
Teplota fluidní vrstvy nevykazuje významný vliv na koncentrace sledovaných složek plynu (není zobrazeno).
V případě majoritních složek jsou hodnoty téměř identické jako při popisu závislosti na teplotě freeboardu, u
minoritních složek je patrné drobné kolísání hodnot, ovšem bez zřetelných souvislostí mezi složením a teplotou
fluidní vrstvy. Z těchto odlišných charakteristik a při uvážení faktu, že jak biomasa, tak plast obsahují velký podíl
/ 126 /
Brno 2006
prchavé hořlaviny, je možno usuzovat, že ve vrstvě dochází pouze k velice rychlému odplynění paliva, reakce
podstatněji ovlivňující složení plynu se ale odehrávají až ve freeboardu.
Vliv přídavku plastů na složení plynu
Přídavek plastů měl především vliv na změnu v zastoupení minoritních složek generátorového plynu, jak ukazuje
Obr. 6. Acetylen i benzen jsou jednak stavebními kameny použitého plastu, PETu, ale i bez přídavku plastů do
paliva patří tyto dvě složky plynu mezi významné. Z Obr. 6 je zřejmé, že koncentrace acetylenu roste a
koncentrace benzenu klesá s rostoucí teplotou freeboardu pro obě paliva. Přídavek 15 hm. % plastu však
zapříčinil nárůst koncentrace acetylenu o 10 – 40 %, u benzenu dokonce o 30 – 300 %. Praktickým důsledkem
tohoto poznatku by mohl být závěr, že přídavek plastů může zvyšovat nároky na čištění plynu, vyžaduje-li
odstranění těchto látek následující technologie.
1,5
1,0
0,5
0,0
890
910
930
950
970
990
acetylen-biomasa+PET
benzen-biomasa+PET
acetylen-biomasa
benzen-biomasa
Obr. 6: Obsah acetylenu a benzenu v plynu v závislosti na použitém palivu a teplotě freeboardu, podmínky:
biomasa a biomasa+15 hm.% PET, λ = 0,25 ±0,01, tfluidní lože biomasa = 855±2°C, tfluidní lože biomasa+PET = 794±25°C.
Vliv materiálu fluidní vrstvy a zplyňovacího poměru na množství dehtu v plynu
O bsah dehtu (g.m -3 )
Při experimentech sledujících množství dehtu v plynu při použití různých materiálů fluidní vrstvy byly zkoumány
celkem tři materiály vrsvy, a to křemenný písek, dolomit a olivín. Křemenný písek se chová jako inertní materiál,
zatímco dolomit i olivín by dle literatury měly vykazovat aktivitu k reformingovým reakcím dehtu. Výsledky
experimentů jsou zobrazeny na Obr. 7.
10
8
6
4
2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Zplyňovací poměr
Písek
Dolomit
Olivín
Obr. 7: Obsah dehtu v závislosti na materiálu fluidního lože a zplyňovacím poměru, podmínky: tfreeboard =
900±3°C, tfluidní lože= 850±7°C s výjimkou pro λ = 0,16 - 0,24: 772±2°C (písek a olivínu); 756 ±3 (dolomit).
Obecnou pozorovanou závislostí je pokles množství dehtu s rostoucím zplyňovacím poměrem, kterou lze
podobně jako u poklesu obsahu spalitelných složek s rostoucím zplyňovacím poměrem vysvětlit postupným
příklonem od zplyňování ke spalování, při kterém se dehty netvoří, popř. se jich tvoří minimální množství oproti
zplyňování. Z obrázku je patrné, že pro zplyňovací poměry 0,5 – 0,7 a 0,3 – 0,4 dosáhl dolomit mnohem vyšší
/ 127 /
Brno 2006
účinnosti v odstraňování dehtů než zbylé dva materiály. Pro nejnižší hodnoty zplyňovacího poměru (0,16 - 0,25)
nedosáhl dolomit tak dobrých výsledků, důvodem by ale mohl být fakt, že teplota v generátoru byla při tomto
pokusu na nízké hodnotě 756 ± 3°C. Tato teplota je pod kalcinační teplotou dolomitu, které se pohybují nad
800°C a již při ní probíhají rekalcinační reakce významně snižující aktivitu dolomitu. Vzhledem ke známé
literatuře [4,5] musí být pozorovaná skutečnost, že olivín má jen nepatrně lepší schopnosti reformovat dehty než
křemenný písek, být ještě dále studována.
ZÁVĚR
V této práci byl sledován vliv primárních metod čištění, zejména pak teplotních poměrů v generátoru a vliv
materiálu fluidního lože, na složení generátorového plynu. Za zvolených experimentálních podmínek bylo
zjištěno, že hlavní reakce ovlivňující složení generátorového plynu se odehrávají ve freeboardu, ve fluidní vrstvě
zřejmě dochází pouze k rychlému odplynění paliva. Přídavek plastu do biomasy podstatně zvyšuje množství
vybraných minoritních složek plynu, a tak může v praxi zvyšovat i požadavky na čištění plynu. Byl též zkoumán
vliv materiálu fluidní vrstvy (písek, dolomit, olivín) na množství dehtu v plynu. Dolomit byl ze sledovaných
materiálů nejlepší.
PODĚKOVÁNÍ
Tato práce vznikla díky finanční podpoře Grantové agentury České republiky, projekt číslo 104/04/0829 a díky
podpoře Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy, projekt MSM 6046137304.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
POHOŘELÝ M., VOSECKÝ M., HEJDOVÁ P., PUNČOCHÁŘ M., SKOBLJA S., STAF M., VOŠTA J.,
KOUTSKÝ B. A SVOBODA K.: Gasification of coal and PET in fluidized bed reactor, Fuel 85 (2006) 24582468.
HIGHMAN, C.; BURGT, M.: Coal gasification, 2003, Elsevier Science, ISBN 0-7506-7707-4, str. 9-35.
BRAGE C., YO Q. A SJOSTROM K.: Characteristics of evolution of tar from wood pyrolysis in a fixed-bed
reactor, Fuel 75 (1996) 213-219.
DEVI L., PTASINSKI K.J., JANSSEN F.J.J., VAN PAASEN S.V.B, BERGMAN P.C.A. A KIEL J.H.A.:
Catalytic decomposition of biomass tars: use of dolomite and untreated olivine, Renewable Energy, 30 (4)
(2005) 565-587.
DEVI L., PTASINSKI K.J. A JANSSEN F.J.J. G.: A review of the primary measures for tar elimination in
biomass gasification processes, Biomass and Bioenergy, 24 (2) (2003)125-140 .
/ 128 /
Brno 2006
VLIV ENERGETICKÝCH PARAMETRŮ BIOMASY PŘI PROCESU SPALOVÁNÍ
Pavel Janásek
Vliv energetických paramatrů biomasy
při procesu spalování
Pavel Janá
Janásek
__________________________________________________________
VŠB - Technická
Technická univerzita Ostrava, Výzkumné
Výzkumné energetické
energetické centrum
ŘEŠITELSKÁ PRACOVIŠTĚ
„ENERGETICKÉ PARAMETRY BIOMASY“
• Energetický ústav Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně
(ve fluidním atmosférickém zplyňovacím reaktoru s cirkulující fluidní vrstvou )
• Výzkumné energetické centrum VŠB-TU Ostrava
(spalování v experimentálním ohništi)
• Agrorobot, Moravská Nová Ves
(zplyňování vzduchem v pevné, sesuvné vrstvě za atmosférického tlaku)
• Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě
(provedení analýz vzorků)
__________________________________________________________
VŠB - Technická
ŘEŠITELSKÁ PRACOVIŠTĚ
„ENERGETICKÉ PARAMETRY BIOMASY“
• Energetický ústav Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně
(ve fluidním atmosférickém zplyňovacím reaktoru s cirkulující fluidní vrstvou )
• Výzkumné energetické centrum VŠB-TU Ostrava
(spalování v experimentálním ohništi)
• Agrorobot, Moravská Nová Ves
(zplyňování vzduchem v pevné, sesuvné vrstvě za atmosférického tlaku)
• Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě
(provedení analýz vzorků)
__________________________________________________________
VŠB - Technická
Ing. Pavel Janásek, PhD., VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava-Poruba, [email protected]
/ 129 /
Brno 2006
ZKOUŠENÉ DRUHY BIOMASY
__________________________________________________________
VŠB - Technická
EXPERIMENTÁLNÍ OHNIŠTĚ
a)
základní varianta s
rovnou zadní stěnou
b) změna tvaru ohniště
c)
a
b
změna velikosti
ohniště
c
__________________________________________________________
VŠB - Technická
TEPLOVODNÍ KOTEL FRÖLING 35
• peletky, štěpka
• řízené spalování
• vysoká účinnost
__________________________________________________________
VŠB - Technická
/ 130 /
Brno 2006
ANALYZOVANÉ SLOUČENINY
• CO, CO2, NOX, O2, SO2, CXHY
• TZL, dehtové látky
• plynné sloučeniny chlóru a fluoru
• POPs
__________________________________________________________
VŠB - Technická
KONCENTRACE EMISÍ CO
__________________________________________________________
VŠB - Technická
KONCENTRACE CELKOVÉHO DEHTU
__________________________________________________________
VŠB - Technická
/ 131 /
Brno 2006
KONCENTRACE PCDD, PCDF, PCB
__________________________________________________________
VŠB - Technická
UKÁZKA HOŘENÍ STÉBELNIN
__________________________________________________________
VŠB - Technická
UKÁZKA HOŘENÍ BUKOVÉHO DŘEVA
__________________________________________________________
VŠB - Technická
/ 132 /
Brno 2006
POPEL PO SPALOVÁNÍ
__________________________________________________________
VŠB - Technická
PALIVOVÝ LIST – ROZBOR PALIVA
ENERGETICKÉ PARAMETRY BIOMASY
Obecné informace
Skupina:
Podskupina:
Druh:
Dřevo
Listnaté
Buk
Složení paliva:
Hrubý rozbor (%
hmot):
Prvkový rozbor (%hmot):
r
d
daf
voda hrubá
6,90
-
-
Uhlík
voda zbytková
6,68
-
-
Vodík
H
5,41
6,26
6,29
13,58
-
-
Kyslík
O
38,48
44,53
44,76
popel
0,44
0,51
-
Dusík
N
0,11
0,13
0,13
hořlavina
85,98
99,49
100
Chlór
Cl
< 0,01
< 0,01
< 0,01
72,01
83,33
83,76
Fluór
F
ND
ND
ND
ND
ND
< 0,01
< 0,01
0,01
< 0,01
< 0,01
0,01
< 0,01
-
Hg
Cr
Ni
V
Zn
<0,0001
0,082
0,048
ND
0,070
voda celková
- prchavá
r
-neprchavá
13,97
16,16 16,24
Energetický obsah (kJ/kg):
r
d
daf
Spalné teplo
16 482 19 072 19 170
Výhřevnost
14 962 17 699 17 790
C
Brom
Br
Obsah síry:
prchavá SSK
v popelu SA
veškerá Si
41,97
d
48,56
daf
48,81
ND
Biochemický rozbor:
-
třísloviny:
10,41± 0,62
pryskyřičné látky:
3,6 ± 0,005
lignin:
17,13 ± 0,25
holocelulóza: (celulóza + hemicelulóza) 60,68
Složení popela:
Chemický rozbor (%
P2O5
Al2O3
Na2O
SO3
SiO2
ND
9,77
1,38
0,12
56,30
hmot):
CaO
K2O
Fe2O3
MgO
7,92
6,20
9,98
2,34
0,53
TiO2
MnO
0,45
Cl
4,28
Pb
0,0200
Cd
<0,0001
Cu
0,021
Stanovení teplot tavitelnosti vyžíhaného popela:
(poloredukční atmosféra):
Teplota dspékání
Teplota měknutí
Značení:
r - palivo v dodaném stavu
d- palivo v bezvodém stavu
daf - hořlavina
1170 °C
1190 °C
Teplota tání
Teplota tečení
ND - nestanoveno
TOC- celkový organ. uhlík
TXES
1280 °C
1370 °C
PAU - polyaromatické uhlovodíky
POPs- perzistentní organické látky
<…pod hranicí stanovitelnosti
__________________________________________________________
VŠB - Technická
PALIVOVÝ LIST – VÝSLEDKY SPALOVÁNÍ
__________________________________________________________
VŠB - Technická
/ 133 /
Brno 2006
ZÁVĚR
Výsledky jsou zpracovávány jednotnou metodikou a
jsou analyzovány vstupy a výstupy energetické
transformace při spalování a zplyňování. Budou
publikovány jako souhrn energetických parametrů
biomasy a nabídnuty široké odborné veřejnosti.
__________________________________________________________
VŠB - Technická
/ 134 /
Používání dat a informací publikovaných v tomto sborníku v dalších pracích, článcích,
přednáškách a prezentacích bez uvedení zdroje, resp. autora je nepřípustné.
Příklady způsobu citace článků uvedených ve sborníku:
[6] KOLÝSKO, K. (2006): Úprava plynu produkovaného termickou konverzí biomasy. Sborník příspěvků
ze semináře „Energie z biomasy V“. VUT v Brně. ISBN 80-214-3310-8
[7] A. Rudko, M. Rybníček a kol. Standardizace odběru vzorku plynu pro stanovení obsahu H2S.
Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy V“, VUT v Brně, 2006, ISBN 80-214-3310-8
[8] Martínek, S. a Liška, P.: Vývoj spotřeby energie a perspektivy využívání alternativních zdrojů.
Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy V“. VUT v Brně (2006). ISBN 80-214-3310-8
editoři:
Ing. Martin Lisý
Ing. Marek Baláš
Publikace neprošla jazykovou úpravou.
ENERGIE Z BIOMASY V
Vydavatel:
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta strojního inženýrství
Tisk:
MANTILA REPRO, Žižkova 5, 603 00 Brno
Vydání:
Rok vydání:
Náklad:
Počet stran:
první
2006
45
134
ISBN 80-214-3310-8

pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

Transkript

Podobné dokumenty