pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

Transkript

Energie z biomasy XI. – odborný seminář
Brno 2010
editoři:
Jan Škvařil
Martin Lisý
ENERGIE Z BIOMASY XI
Sborník příspěvků ze semináře
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STROJNÍHO INŢENÝRSTVÍ
ENERGETICKÝ ÚSTAV
Odbor energetického inţenýrství
2010
/1/
Brno 2010
/2/
Brno 2010
Publikace je sborníkem příspěvků ze semináře Energie z biomasy XI., který se konal 1. a 2. prosince 2010
v Brně. Autory článků jsou především mladí vědečtí pracovníci, kteří působí na výzkumných a akademických
pracovištích v Česku a na Slovensku. Zabývají se zejména problematikou biomasy jako obnovitelného zdroje
energie, především ale technickou a ekologickou stránkou stránkou jejího vyuţití.
Titulní strana: ilustrační foto
Editoři: Jan Škvařil, Martin Lisý
Vysoké učení technické v Brně, 2010 – 15. prosince
ISBN 978-80-214-4243-6
Články nebyly pozměňovány ani neprošly jazykovou úpravou.
/3/
Brno 2010
/4/
Brno 2010
PŘEDMLUVA
Tradiční setkání doktorandů a mladých výzkumných pracovníků bylo letos jiţ jedenácté v pořadí, z toho deváté
na půdě Energetického ústavu, Fakulty strojního inţenýrství, VUT v Brně. Seminář se zabýval aktuální
problematikou energetického vyuţívání biomasy a odpadů a proběhl ve dnech 1. a 2. prosince 2010. Zúčastnila
se řada zájemců z předních universitních pracovišť v ČR a SR, zabývajících se problematikou energetického
vyuţívání biomasy a spalitelných odpadů. Bylo předneseno 15 referátů, které jsou uveřejněny ve sborníku.
Vedle doktorandů a pracovníků z pořádajícího VUT v Brně a universitních pracovišť se jako kaţdým rokem
zúčastnili pozvaní odborníci z praxe. Přednesené referáty se zabývají problematikou spojenou s energetickým
vyuţíváním biomasy a odpadů,zejména však výzkumem termo fyzikálních vlastností paliv z biomasy, úpravou
biomasy, peletováním, efektivním spalováním a zplyňováním. Řada příspěvků mladých vědeckých pracovníků je
věnována analýze získaného plynu, stanovení problematických látek přítomných v syntézním, plynu a také
technologiím čištění syntézního plynu. Další příspěvky jsou věnovány důleţitým ekonomickým studiím moţností
vyuţívání biomasy pro energetické účely.
Obsahy většiny příspěvků, které jsou zpravidla i tématy doktorských disertačních prací autorů, řeší aktuální
problémy vycházející z potřeb průmyslové praxe. Vyuţívání biomasy jako obnovitelného zdroje energie je
podporováno jak legislativně tak ekonomickými stimuly. Cílená podpora ze strany státních orgánů a ekonomické
stimuly vedou k většímu vyuţívání biomasy zejména při kombinované výrobě elektrické energie a tepla.
Kromě získávání nových poznatků, umoţňují tyto semináře navázání spolupráce mezi účastníky a vedou k větší
propojenosti jednotlivých školicích universitních pracovišť. V neposlední řadě umoţňují neformální setkání a
navázání osobních kontaktů mladých vědeckých pracovníků. Poskytují začínajícím doktorandům moţnost
odzkoušet si presentaci výsledků své vlastní vědecko výzkumné práce v neformální a přátelské atmosféře.
Doc.Ing. Zdeněk Skála, CSc.
ředitel Energetického ústavu
odborný garant semináře
Tato publikace vznikla za podpory Skupiny ČEZ a společnosti E.ON Česká republika, s.r.o.
/5/
Brno 2010
/6/
Brno 2010
BARGER A., SKOBLIA S.
Stanovení nízkých koncentrací sirných látek v plynných a kapalných produktech termochemické
konverze biomasy ............................................................................................................................................ 11
Zájem o stanovení nízkých koncentrací sirných sloučenin v hořlavých plynech je vyvolán hlavně rozvojem moderních
postupů výroby a spotřeby syntetických plynných a kapalných paliv a s tím spojeným dlouhodobým vlivem stopových
množství sirných látek na spolehlivost použitých technologických zařízení a životnost aplikovaných katalyzátorů. Sirné látky,
které jsou často přítomné ve formě organických sloučenin v procesních plynech i ve velmi nízkých koncentracích (pod 0,2
ppm), dlouhodobě působí jako katalytické jedy při nízko a středně teplotním parním reformingu uhlovodíků, výrobě
syntetického ZP a kapalných paliv (FT syntéza), kdy jsou příčinou pozvolné (v případě nízkých koncentrací) deaktivace
použitých katalyzátorů. Jejich přítomnost v nízké koncentraci je jedním z důvodů snížení výkonu a postupné deaktivace
vysokoteplotních palivových článků s roztaveným uhličitanem (MCFC typu), kde rovněž probíhá interní parní reforming (600
až 650°C). Pozvolnou deaktivaci způsobují velice nízké koncentrace sirných látek v plynu, jejichž stanovení prostřednictvím
běžných analytických postupů je často stiženo nedostačující citlivostí. Uvedený článek proto obsahuje přehled analytických
metod využívajících plynové chromatografie a různých selektivních sirných detektorů a poskytuje jejich srovnání z hlediska
citlivosti a selektivity. V článku jsou také uvedeny praktické příklady stanovení nízkých koncentrací sirných látek v plynu za
pomoci sirného chemiluminiscenčního detektoru (SCD), a to stanovení nízkých koncentrací sirných látek v plynu a také
stanovení celkového obsahu organických sirných látek (součást dehtu) přítomných v plynu ze zplyňování biomasy.
BARGER A., SKOBLIA S.
Studium produktŧ pyrolýzy vzorku dřevních pelet při vsázkové pyrolýze v rozmezí teplot 400 aţ 800 °C
........................................................................................................................................................................... 19
Pyrolýza je termickým rozkladem organické hmoty za nepřítomnosti vzduchu, kdy je energie přítomná v původním vzorku
transformována do plynných, kapalných a pevných produktů pyrolýzy a jejich složení a množství je ovlivněno podmínkami
experimentu. Pro studium distribuce a složení produktů byl vybrán vzorek dřevních pelet, který byl podroben vsázkové
pyrolýze v rozmezí teplot od 400 do 800 °C.
BENIAK J.
Vyuţitie olivových zvyškov pre energetické zhodnotenie ........................................................................... 25
Človek v súčasnej době čelí dvom zkladným problémom v oblasti životného prostredia. Je to vysoká miera produkcie odpadu
a tiež vysoká miera spotreby enegie, čo má priemy vplyv na zmenu klímy na našej planéte. Táto situácia si preto vyžaduje
zmeny v modeloch nakladania s odpadmi, a tiež zmeny v modeloch získavania energie. To znamená využívanie
obnoviteľných zdrojov energie namiesto fosílnych palív. Medzi takéto zdroje patria zdroje biomasy z poľnohospodárskych
odpadov. Južné španielsko má veľké zásoby biomasy zostatkového charakteru z poľnohospodárskej činnosti, ako sú olivové
zvyšky. Avšak používanie peliet z olivových listov alebo zmes rôznych častí olivových zvyškov zatiaľ nie je príliš rozšírené.
BEŇO Z., SKOBLIA S.
Porovnání kvality plynŧ produkovaných souproudými generátory v České republice ............................ 29
Energetické využití biomasy se vzhledem k růstu cen fosilních paliv dostalo opět do popředí zájmu. V příspěvku jsou
prezentovány a komentovány výsledky z měření na dvou technicky relativně vyspělých kogeneračních jednotkách
umístěných v ČR. Jednotky se vyznačují především vysokým stupněm automatizace a použitím sofistikovaného
vysokoteplotního způsobu čištění výstupního plynu.
BOGDÁLEK J.
Těţké kovy v tuhých spalovenských zbytcích .............................................................................................. 35
Příspěvek se zabývá transfery vybraných prvků, zvláště pak těžkých kovů, při spalování komunálního odpadu. Příspěvek je
založen na výsledcích rozborů zbytků po spalování ve Spalovně komunálního odpadu v Brně. Uváděná data pochází z téhož
provozu v roce 2009.
BRADÁČOVÁ K., MACHAČ P., BALÍČEK P., PEKÁREK P.
Vyuţití druhotných surovin pro sorpci HCl ................................................................................................... 41
Tento článek se věnuje adsorpci chlorovodíku na pevných materiálech v redukčním a v oxidačním prostředí. Redukční
prostředí představuje plyn ze zplynění biomasy a oxidační prostředí reprezentuje spaliny, které vznikly spálením plastového
odpadu. Vybrané sorbenty byly na bázi popela – popílek z teplárny spalující dřevní štěpku a popílek ze spalovny
komunálního odpadu – v obou případech můžeme materiály označit jako druhotnou surovinu.
BRADÁČOVÁ K., MACHAČ P., PARSCHOVA H., PEKÁREK P., KOZA V.
Odstraňování chlorovodíku ze spalin při energetickém zpracování plastŧ ............................................... 47
Tento článek se zabývá čištěním spalin při energetickém zpracování odpadních plastů. Konkrétně se věnuje adsorpci
/7/
Brno 2010
chlorovodíku na pevných sorbentech, při teplotě 200 – 500°C. Pro měření byly použity vápenaté a komerčně vyráběné
sorbenty a také sorbent z dřevěného popela, který byl vyvinut na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze.
ČERMÁKOVÁ J., TENKRÁT D., MRÁZEK J., FLIEGEROVÁ K.
Mikrobiální populace v bioplynu.................................................................................................................... 53
Tento příspěvek se zabývá studiem mikrobiální populace v bioplynu pomocí metody založené na molekulární genetice, která
dokáže identifikovat větší množství mikroorganizmů než pomocí klasické kultivace. V bioplynu z čistírny odpadních vod bylo
nalezeno téměř 8 mil. bakterií v m3 a nejvíce byly zastoupeny dva kmeny Firmicutes a Proteobacteria. Avšak mnohé
mikroorganismy v bioplynu jsou dosud neznámé nekultivované bakteriální druhy. Studium bakteriální biodiversity v bioplynu
hraje klíčovou roli zejména při konečném využití bioplynu, protože některé druhy mohou způsobovat korozi zařízení či
potrubí nebo mohou být dokonce patogenní a využívat bioplyn ke svému šíření.
FURKA F., JABLONSKÝ G., PÁSTOR M.
Kvalita drevného plynu zo splyňovania biomasy v nehybnom lôţku a vo fluidnej vrstve v zdrojoch
nízkeho výkonu ............................................................................................................................................... 57
Príspevok je zameraný na porovnanie kvality produkovaného drevného plynu. Ako palivo sa používala biomasa rôznej
zrnitosti. Splyňovalo sa na dvoch typoch splyňovacích zariadení. Článok obsahuje základné parametre generátorov
(fluidného aj roštového) ich kvalitu a zloženie plynu.
JABLONSKÝ G., VARGA A., KIZEK J., LUNKIN V., FURKA F.
Návrh zariadenia na splyňovanie biomasy s energetickým potenciálom vyuţitia energoplynu ............. 63
Článok sa zaoberá splyňovaním drevnej štiepky v protiprúdnom splyňovaciom generátore a následnom využití vzniknutého
energoplynu v alternatívnych zariadeniach. Obsahuje schému zapojenia systému, jeho rozbor a následné vyplývajúce
úpravy.
KRIŢAN P., MATÚŠ M.
Vplyv zmeny dĝţky lisovacej komory na tlakové pomery v lisovacej komore a výslednú kvalitu výliskou
.......................................................................................................................................................................... 69
Príspevok pojednáva o zhutňovaní materiálu, hlavne biomasy, čo je jedna z možností ako zhodnotiť tento odpad. Cieľom
tohto príspevku je prezentovať ako sú dôležité aj niektoré konštrukčné parametre lisovacej komory briketovacieho stroja v
procese zhutňovania. Okrem známych a dokázaných vplyvov technologických parametrov, teda je nutné venovať pozornosť
aj konštrukčným parametrom lisovacej komory. V tomto príspevku sa autori zamerali na vplyv zmeny dĺžky lisovacej komory
na tlakové pomery v lisovacej komore, ktoré výrazne ovplyvňujú výslednú pevnosť výlisku a teda aj jeho kvalitu. Informácie
publikované v tomto príspevku boli získané z vykonaných teoretických analýz, experimentov a skúseností z oblasti
zhutňovania biomasy
MATÚŠ M., KRIŢAN P.
Tlakové pomery v kuţeğovej lisovacej komore ............................................................................................ 77
Legislatívne prostredie v EÚ vytvára požiadavky na postupné nahrádzanie fosílnych zdrojov energie obnoviteľnými zdrojmi.
V podmienkach SR predstavuje najperspektívnejší obnoviteľný zdroj energie biomasa. Jej potenciál v rámci OZE na
Slovensku predstavuje 42 %, z čoho pre využívanie má najväčší význam tuhá forma biomasy. Uvedené predpoklady vedú k
nevyhnutnosti realizácie výskumu v oblasti spracovania tuhej formy biomasy a jej transformácie do tuhého ušľachtilého
biopaliva. Príspevok sa zaoberá technológiou zhutňovania biomasy a predovšetkým teoretickou analýzou tlakových pomerov
v lisovacej komore.
MATÚŠ M., KRIŢAN P., ŠOOŠ Ľ.
Metodológia hodnotenia kvality tuhých ušğachtilých biopalív ................................................................... 85
Napriek silnej podpore využívania OZE bráni absencia národnej a európskej legislatívy v oblasti tuhých ušľachtilých biopalív
vyrobených z fytomasy vstupu tohto produktu na trh s palivami. Príspevok definuje tuhé ušľachtilé biopalivo v rámci
klasifikácie skupiny tuhých palív. Cieľom je špecifikácia kritérií na hodnotenie kvality tuhých ušľachtilých biopalív vyrábaných
nielen z dendromasy, ale aj fytomasy, ďalej zdôvodnenie významnosti jednotlivých kritérií ako aj stanovenie ich limitných
hodnôt pre vykurovacie pelety z biomasy.
MOSKALÍK J., ŠKVAŘIL J.
Zplyňování kontaminované biomasy ............................................................................................................ 93
Hlavním cílem práce bylo zjistit možnosti energetického využívání některých specifických druhů paliv a to zejména biomasy
kontaminované nežádoucími látkami. Právě zvýšený obsah znečišťujících látek určuje, že s tímto materiálem je třeba
zacházet jako s odpadem a ne jako s klasickým palivem. Výzkum se zaměřuje převážně na využití metody termického
/8/
Brno 2010
zplyňování kontaminované biomasy v atmosférickém fluidním loži. Kontaminovanou biomasu lze v určitém ohledu chápat
jako odpad. S ohledem na likvidaci odpadu se termické fluidní zplyňování jeví jako velice progresivní technologie.
ONDRUŠKA J., ŠOOŠ L., KRIŢAN P., MATÚŠ M.
Peletovací lis progresívnej konštrukcie – PLG 2010 .................................................................................... 101
Príspevok popisuje aktuálny stav v oblasti vývoja peletovacieho lisu založeného na princípe patentovanej koncepcie
konštrukcie lisu s axiálno–rotačnými valcami, ktorého vývoju sa náš ústav dlhodobo venuje. V poslednom období bola
spracovaná inovovaná koncepcia stroja novej generácie, ktorá je v súčasnosti pred prototypovými skúškami.
ŠKVAŘIL J., MOSKALÍK J.
Spalování kontaminované biomasy a legislativa ČR.................................................................................... 109
Rešeršní článek pojednává o legislativě České republiky spojené s využitím kontaminované biomasy. Možnosti jejího
spalování jsou legislativou limitovány především z toho důvodu, že spalováním kontaminantů mohou vznikat nebezpečné
látky znečišťující životní prostředí.
ŠTELCL O.
Návrh a měření krbové vloţky ........................................................................................................................ 115
Práce se věnuje konstrukci spalovací komory z hlediska použití a rozmístění jednotlivých komponent (klenba, oplach skla,
tryska terciárního vzduchu), vlivu těchto komponent na účinnost spalování a praktické zkoušce zhotoveného prototypu
krbových kamen.
/9/
Brno 2010
/ 10 /
Brno 2010
STANOVENÍ NÍZKÝCH KONCENTRACÍ SIRNÝCH LÁTEK V PLYNNÝCH A KAPALNÝCH
PRODUKTECH TERMOCHEMICKÉ KONVERZE BIOMASY
Aleš Barger, Siarhei Skoblia
Zájem o stanovení nízkých koncentrací sirných sloučenin v hořlavých plynech je vyvolán hlavně rozvojem moderních
postupů výroby a spotřeby syntetických plynných a kapalných paliv a s tím spojeným dlouhodobým vlivem stopových
množství sirných látek na spolehlivost použitých technologických zařízení a životnost aplikovaných katalyzátorů. Sirné
látky, které jsou často přítomné ve formě organických sloučenin v procesních plynech i ve velmi nízkých koncentracích
(pod 0,2 ppm), dlouhodobě působí jako katalytické jedy při nízko a středně teplotním parním reformingu uhlovodíků,
výrobě syntetického ZP a kapalných paliv (FT syntéza), kdy jsou příčinou pozvolné (v případě nízkých koncentrací)
deaktivace použitých katalyzátorů. Jejich přítomnost v nízké koncentraci je jedním z důvodů snížení výkonu
a postupné deaktivace vysokoteplotních palivových článků s roztaveným uhličitanem (MCFC typu), kde rovněž probíhá
interní parní reforming (600 až 650°C). Pozvolnou deaktivaci způsobují velice nízké koncentrace sirných látek v plynu,
jejichž stanovení prostřednictvím běžných analytických postupů je často stiženo nedostačující citlivostí. Uvedený
článek proto obsahuje přehled analytických metod využívajících plynové chromatografie a různých selektivních sirných
detektorů a poskytuje jejich srovnání z hlediska citlivosti a selektivity. V článku jsou také uvedeny praktické příklady
stanovení nízkých koncentrací sirných látek v plynu za pomoci sirného chemiluminiscenčního detektoru (SCD), a to
stanovení nízkých koncentrací sirných látek v plynu a také stanovení celkového obsahu organických sirných látek
(součást dehtu) přítomných v plynu ze zplyňování biomasy.
Klíčová slova: nízké koncentrace síry, pyrolýza, produkty pyrolýzy
SELEKTIVNÍ DETEKTORY PRO STANOVENÍ SIRNÝCH LÁTEK
Pro kvalitativní a kvantitativní stanovení nízkých koncentrací sirných látek v plynech lze pouţít plynovou
chromatografii v kombinaci s různými sirnými selektivními detektory. Separace jednotlivých sloţek zpravidla
probíhá na vhodné chromatografické koloně a jejich detekce na vhodném selektivním detektoru. V současné
době je známo několik typů sirných selektivních detektorů, odlišujících se citlivostí a selektivitou. Citlivostí
(sensitivitou) detektoru je definována velikost odezvy detektoru na jednotkové mnoţství sledované látky.
Uvedená charakteristika je často definována jako sklon křivky popisující závislost velikosti signálu detektoru
na obsahu sledované cílové sloţky. Minimální detekční limit (MDL) je definován jako mnoţství sledované látky
odpovídající odezvě detektoru třikrát vyšší neţ hodnota jeho základního signálu (šumu). U hodnot 10x vyšších lze
potom hovořit o minimálním vypočitatelném mnoţství (QDL). Selektivitou detektoru se rozumí jeho schopnost
poskytovat odezvu na cílové (selektivní) sloţky v přítomnosti sloţek neselektivních, aniţ by docházelo ke změně
odezvy detektoru. Tato hodnota se uvádí jako poměr odezvy určitého mnoţství látky vykazující selektivní reakci
a odezvu, kterou vyvolá stejné mnoţství neselektivních látek, zastoupených hlavně uhlovodíkovými sloučeninami
přítomnými v plynu. Dalším důleţitým faktorem je lineární rozsah detektoru (často se uvádí jako jeho dynamický
rozsah), který představuje oblast, ve které závislost odezvy detektoru na koncentraci je lineární [5].
Tab. 1 Porovnání základních charakteristik selektivních detektorů vhodných pro stanovení sirných látek [8]
Detektor
MDL [pg/s]
Linearita
Selektivita
Závislost odezvy na
struktuře
FPD
20
Prop. kvadr.
1,0 . 105
ANO
PFPD
0,5-1
Prop. kvadr.
1,0 . 107
NE
SCD
0,5
1,0 . 105
1,0 . 106
NE
AED
2
2,0 . 104
1,5 . 105
NE
ECD
Aţ 0,005 *)
1,0 . 104
**)
ANO
*) Nejnižší možný MDL (mezní detekční limit) pro látky s největší elektronegativitou. Podle elektronegativity prvků se liší i MDL pro molekuly, v
nichž jsou tyto prvky obsaženy.
**) Selektivita závisí na elektronegativitě prvků v molekule a jejich počtu. Pro SF 7, na který je možno sirné sloučeniny převést, se pohybuje okolo
0,05 pg.s-1.
Ing. Aleš Barger, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, VŠCHT Praha, Technická 6, Praha 6, 166 28,
[email protected]
/ 11 /
Brno 2010
K sirným selektivním detektorům patří plamenově fotometrický detektor (FPD) a jeho pulzní model (PFPD), sirný
chemiluminiscenční detektor (SCD), atomový emisní detektor (AED), hmotnostně spektrometrický detektor (MSD)
v reţimu sledovaní vybraných iontů a fotoionizační detektor (PID). Srovnání základních charakteristik vybraných
detektorů je uvedeno v Tab. 1.
Plamenově fotometrický detektor (FPD) je jedním z nejpouţívanějších a historicky nejstarších sirných
selektivních detektorů. Funkce FPD je zaloţena na selektivní reakci sirných sloučenin ve vodíkovém redukčním
plameni, která vede k tvorbě excitované molekuly síry (S2*) emitující chemiluminiscenční záření. Specifické
záření je odfiltrováno na vhodném optickém filtru a následně detekováno fotonásobičem a převedeno
na měřitelný signál. S vhodným optickým filtrem před fotonásobičem umoţňuje FPD selektivní stanovení
sloučenin obsahujících fosfor, dusík. Jeho citlivost je do značné míry ovlivněna vlastnostmi plamene (redukčními,
oxidačními) určovanými vzájemným poměrem H /vzduch. V případě selektivní detekce sirných látek je
detekováno chemiluminiscenční záření vydávané excitovanými molekulami S2* o vlnové délce 394 nm. Praktické
pouţití FPD však naráţí hlavně na problémy s nelineární odezvou (úměrnou druhé mocnině obsahu síry
ve vzorku), závislostí odezvy na molekulární struktuře sirných sloučenin a podstatném sníţením odezvy detektoru
(quenchingem) při koeluci sirných látek s uhlovodíky. [2, 3] Zde je nutno si uvědomit, ţe u koncentrací sirných
látek 2x niţších se odezva detektoru sníţí 4x. Souhrn uvedených faktorů vede k tomu, ţe při běţné GC analýze
plynných vzorků (syntézních, pyrolýzních plynů) není moţné spolehlivě stanovovat obsah H S niţší neţ 0,5 aţ
1 ppm. V důsledku překrývání organických sirných sloučenin (merkaptany, sulfidy, thiofen, a jejich deriváty)
u plynů bohatých na uhlovodíky (pyrolýzní, rafinerské) je skoro nemoţné za běţných podmínek dosáhnout při
uvedeném rozsahu přijatelných výsledků. Ještě horší situace nastává při analýze reálných petrochemických
frakcí. Uvedený detektor patří k nejlevnějším z dnes dostupných selektivních chromatografických detektorů.
Uvedené problémy částečně řeší modifikována konstrukce detektoru (pulzní plamenově fotometrický detektor
(PFPD)), který funguje na stejném principu jako klasicky FPD s tím rozdílem, ţe měření chemiluminiscenčního
záření uvolňovaného sirnými sloţkami v redukčním plameni probíhá v cyklických intervalech, spojených
s periodickým zhasínáním a zapalováním plamene (2-4 krát za sekundu). Chemiluminiscenční záření vyzařované
redukčním plamenem je emitováno v poměrně krátké době 3 aţ 4 milisekund, zatímco záření vydávané
molekulami S2* nastává v delším časovém intervalu během 4 – 16 milisekund. Tento způsob měření umoţňuje
značné zvýšení selektivity a citlivosti stanovení, volbou vhodných spalovacích podmínek a pouţitím patřičného
optického filtru lze PFPD přizpůsobit pro stanovení sloučenin obsahujících síru, dusík, fosfor a některé kovy.
V důsledku lepšího poměru signál/šum lze za stejných chromatografických podmínek dosáhnout zhruba o jeden
řád lepší meze detekce a stanovitelnost (QDL). PFPD poskytuje ekvimolární odezvu na síru nezávisle na typu
sloučeniny. Odezva je také úměrná druhé mocnině obsahu síry ve vzorku. [4] Bohuţel se PFPD podobně jako
FPD potýká s quenchingem, ale v poněkud menší míře. I tak však tato skutečnost znemoţňuje jeho pouţití při
stanovení nízkých koncentrací síry v pestrých uhlovodíkových frakcích. Vzhledem ke komplikovanější konstrukci
je jeho cena v porovnání s klasickým FPD asi o 50% vyšší.
Sirný chemiluminiscenční detektor (SCD) je atraktivní alternativou k plamenově fotometrickému detektoru pro
stanovení sirných sloučenin ve sloţitých směsích s vysokým obsahem uhlovodíků. Oproti FPD a PFPD je
citlivější a selektivnější a navíc je jeho odezva na všechny typy sirných sloučenin stejná, čehoţ lze se značnou
výhodou vyuţít pro stanovení celkového obsahu sirných látek v plynu. Další výhodou je, ţe nejsou problémy
s interferencemi s vodou a oxidem uhličitým. Princip funkce SCD je zaloţen na konverzi sirných sloučenin
v redukujícím plameni na sirný monoxid (SO, reakce 1). Chemická reakce SO s ozonem probíhá v reakční cele
za mírného vakua, kde vzniká excitovaná molekula SO2*, která se vrací do neexcitovaného stavu vyzářením
chemiluminiscenčního záření o vlnové délce 260 – 480 nm (reakce 2 a 3), jehoţ mnoţství je měřeno
fotonásobičem umístěným za vhodným optickým filtrem:
Sirné sloučeniny + uhlovodíky + (H2/vzduch) → SO + CO2 + H2O
SO + O3 → SO2* + O2
SO2* → SO2 + hν
(1)
(2)
(3)
Díky uvedenému sledu chemických reakcí dosahuje SCD jak vysoké citlivosti, tak i selektivity. Závislost signálu
SCD na obsahu síry ve vzorku je lineární a nezávisí na struktuře analyzovaných sirných sloučenin. Značnou
/ 12 /
Brno 2010
výhodou je také absence sníţení citlivosti detektoru v přítomnosti uhlovodíků a jeho vyšší (v porovnání s FPD)
citlivost. [3].
Bohuţel odezva a selektivita detektoru do značné míry závisí na způsobu spalování. U původní generace SCD
spalování probíhalo přímo v hořáku plamenově-ionizačního detektoru a pouze část spalin vstupovala
do detektoru. S rostoucím poměrem vodík/vzduch stoupá citlivost detektoru, ale klesá jeho selektivita, bohuţel
se také sniţuje jeho dynamický rozsah. Vylepšení bylo dosaţeno s pouţitím tzv. dvojitého plazmového hořáku
(elektricky vyhřívaného na 800°C) obsahujícího oxidační a redukční zónu. Díky pouţité konstrukci se také
podařilo zvýšit celkovou citlivost detektoru. SCD má oproti FPD méně symetrické píky, z čehoţ plyne poněkud
horší chromatografická účinnost. K jeho hlavním nevýhodám patří také 2x vyšší cena oproti FPD. SC detektory
vyuţívající jiných médií k vyvolání chemiluminiscenční reakce (např. ClO 2, F2) se příliš neujaly kvůli nutnosti
zacházení s nebezpečnými plyny a problémům s interferencemi.
Poněkud odlišný princip se uplatňuje při pouţití univerzálního atomového emisního detektoru (AED), kde
se uplatňuje ionizace pomocí vysokoenergetické plazmy. Hlavními typy plazmatu pouţívanými v plynové
chromatografii jsou mikrovlnně vázané héliové plazma (MIP), stejnosměrně (stejnosměrným proudem) vázané
plazma (DCP) a indukčně vázané argonové plazma (ICP). Ze všech typů plazmatu je pro plynovou chromatografii
nejlépe pouţitelné MIP. Je produkován nejmenší objem plazmatu, a proto představuje nejlepší řešení pro
nízkoobjemovou chromatografickou detekci. Volné elektrony v plazmatu mají velkou kinetickou energii
a způsobují fragmentaci molekul efluentu na jednotlivé atomy a zároveň excitaci těchto atomů. Atomy při návratu
na niţší energetické hladiny emitují záření o charakteristické vlnové délce. Po spektrometrickém rozkladu tohoto
záření na mříţce je záření měřeno fotometrickým detektorem s diodovým polem, coţ umoţňuje současné
stanovení více prvků. AED má velmi široké pouţití a detekuje současně přítomnost celé řady prvků
(C, H, N, S, P, O, Cl, Br, F, Si). Atomová emisní spektra jsou zpravidla velice intenzivní, coţ zajišťuje většinou
i dobrou citlivost. Odezva pro tentýţ prvek v různých sloučeninách je konstantní a není závislá na struktuře
sloučeniny. Pro kalibraci přístroje tak postačuje jediná sloučenina stanovovaného prvku. [3,5] Bohuţel k značným
nevýhodám uvedeného detektoru patří jeho vysoká cena (2x draţší neţ SCD), a to je také moţná hlavním
důvodem, proč není moc často pouţívaný jen pro stanovení sirných sloučenin.
Základní částí detektoru elektronového záchytu (ECD) jsou dvě elektrody: emitor, kde je jako zdroj měkkého
radioaktivního záření pouţit izotop 63Ni, a kolektor. Mezi elektrodami je vloţeno napětí ze zdroje. Nosný plyn (N2,
Ar + CH4) vstupující do elektrody tryskou je radioaktivním zářením ionizován a mezi elektrodami prochází
ionizační proud. Obsahuje-li nosný plyn molekuly s afinitou k elektronům, dojde k poklesu ionizačního proudu.
Tento pokles je po zesílení zaznamenán. ECD je zvlášť citlivý na některé typy sloučenin obsahujících ve svých
molekulách elektronegativní sloţky, jako alkylhalogenidy, konjugované karbonylové sloučeniny, nitrily, nitráty a
organokovové sloučeniny. Jeho citlivost ke všem sirným sloučeninám bohuţel není stejná. V případě SO2 a H2S
je jeho citlivost podstatně niţší. Z literatury jsou známy příklady, kdy byl pouţit pro stanovení sirných plynů v CO2,
kde jeho citlivost na COS, CS2, CH3SH, (CH3)2S2 a H2S byla srovnatelná s běţně pouţívanými FP detektory, ale
jeho citlivost na (CH3)2S a thiofen byla mnohem niţší. ECD je však schopen detekovat hexafluorid síry (SF 6),
obsahující nejelektronegativnější prvek (F), při extrémně nízkých koncentracích. Detekční limit pro stanovení SF6
je 0,2 fmol.s-1. V literatuře je popsána metoda pro stanovení sirných látek prostřednictvím ECD a to po jejich
redukci a následné fluoraci s vyuţitím AgF2 nebo CoF3. Výhodou extrémně citlivého detektoru je moţnost analýzy
buďto velmi malých vzorků nebo velkých vzorků s nízkým obsahem analytu. Širšímu vyuţití ECD pro stanovení
sirných látek brání problémy se závislostí odezvy na počtu atomů zachycujících elektrony v molekule a jejich
elektronegativitě. Odezva není striktně lineární a dále závisí na teplotě a detektor je zvlášť náchylný na znečištění
nosného plynu. [3, 6, 7]
Fotoionizační detektor (PID) je charakterizován vysokou citlivostí a jistou selektivitou k řadě specifických skupin
látek včetně sirných sloučenin. Molekuly analytu eluované z GC kolony procházejí skrz ionizační komoru mezi
dvěma elektrodami. Zde jsou ozařovány UV zářením, probíhá ionizace a ve stejnosměrném elektrostatickém poli
vzniklé ionty se pohybují k elektrodám. Proud, který je funkcí koncentrace analytu, je měřen citlivým
elektroměrem. Ionizovány a detekovány jsou látky s niţším ionizačním potenciálem, neţ je energie záření. Na
odezvu detektoru má vliv mnoho faktorů. Nejdůleţitějším z nich je ionizační potenciál sledovaných sloučenin.
Selektivita detektoru můţe být do jisté míry řízena volbou UV lampy o vhodné ionizační energii. Citlivost PID je
/ 13 /
Brno 2010
závislá na molekulární struktuře. I kdyţ je citlivost PID na některé sirné sloučeniny velmi dobrá, díky své nízké
selektivitě je vhodný pouze pro stanovení síry v nepříliš sloţitých matricích. [3]
Mezi další detektory, které lze pouţít pro stanovení sirných látek v nízkých koncentracích také patří héliový
ionizační detektor (HID) a hmotnostní spektrometrický detektor (MSD). HID umoţňuje dosaţení citlivosti
srovnatelné s PFPD, ale je detektorem univerzálním a má také odezvu na doprovodné plynné sloţky. V důsledku
toho je jeho selektivita vůči sirným sloučeninám bohuţel nízká. Úspěšná analýza vyţaduje v tomto případě
perfektní chromatografickou separaci cílových sloţek od doprovodných sloţek, a tak bohuţel vyhovuje jen pro
stanovení nízkých koncentrací v relativně čistých plynech. MSD je dalším univerzálním detektorem, který lze
pouţít pro stanovení vybraných sirných sloučenin v nízkých koncentracích. Pro stanovení vybraných sirných
sloučenin se pouţívá metoda záznamu vybraných iontů (SIM) vznikajících při štěpení molekulárních iontů (M +) na
pro danou sirnou látku specifické fragmenty (např. benzothiofen m/z=134; tetrahydrothiofen m/z= 60,88;
tercbutylmerkaptan m/z=41,57,90). Metodu lze pouţít pro stanovení vybraných sirných látek v poměrně pestrých
plynných směsích, bohuţel však za podmínek, ţe cílové sirné látky poskytují odlišné ionty neţ ostatní sloţky
směsi. Vzhledem k odlišnému způsobu fragmentace cílových sloţek je potom nutno pro kaţdou takto sledovanou
sirnou sloţku mít standardní plyn o jejím známém obsahu. Další nevýhodou je vysoká pořizovací cena detektoru,
u nejlevnějších systémů (kvadrupólové detektory) začínající na ceně SCD.
Z uvedeného přehledu selektivních detektorů vyplývá, ţe optimální volbou pro stanovení sirných látek v nízkých
koncentracích v různých hořlavých plynech je sirný chemiluminiscenční detektor (SCD), a to hlavně díky jeho
vysoké citlivosti, selektivitě, lineární odezvě na obsah síry ve vzorku a nezávislosti na struktuře analyzovaných
sirných sloučenin.
POUŢITÉ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ
Všechna měření byla provedena na plynovém chromatografu Agilent 7890 osazeném sirným
chemiluminiscenčním detektorem Agilent 355 (vše od firmy Agilent Technologies, Inc., USA), jehoţ součástí byl
systém dynamického ředění plynných vzorků, pouţitý pro přípravu plynů s nízkou koncentrací sirných látek
a kalibraci detektoru. Veškeré součásti GC kontaktující se sirnými látky měly povrchovou úpravu SulfInert
(Restek). Pro měření byla pouţita analytická kapilární kolona DB-1 o délce 30 m, vnitřním průměru 0,32 mm
a tloušťce filmu 1 μm, a to za konstantního průtoku He (2 ml/min). Průtoky plynů do dvojitého plazmového
spalovacího hořáku (800 °C) byly nastavovány pomocí EPC modulů na následující hodnoty: vzduch – 320 kPa
(cca 56 cm3/min), vodík - 189 kPa (cca 42 cm3/min). Teplotní program GC začínal na 30 °C (prodleva
1,5 minuty), poté zvyšován rychlostí 20 °C/min na 80 °C a zde udrţován 2 minuty. V případě nástřiku kapalných
vzorků s výševroucími sirnými sloučeninami pokračoval ohřev termostatu do 320°C (prodleva 3 minuty). Nástřik
plynného vzorku byl prováděn pomocí 6-ticestného dávkovacího ventilu (s dělícím poměrem 1/25), kapalné
vzorky byly nastřikovány manuálně pomocí injekční stříkačky (objem vzorku 1 μl) přímo do injekčního portu
(250 °C, Split/Splitless) s dělicím poměrem 1/5.
a
b
4500
4000
3500
Plocha píků
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Koncentrace síry [μg.ml⁻¹]
Obr. 1 Závislost odezvy SCD pro plynné (a) a kapalné vzorky (b)
Závislost odezvy SCD pro různé koncentrace tetrahydrotiofenu (THT) je uvedena na Obr. 1a, cílové koncentrace
THT v plynu bylo dosaţeno za pomoci ředícího systému. Kalibrace SCD pro stanovení síry v kapalném vzorku
/ 14 /
Brno 2010
byla provedena pomocí manuálního nástřiku roztoku standardů v toluenu o známém obsahu tetrahydrothiofenu
(THT), thiofenu a methylthiofenu. Koncentrace jednotlivých sirných sloučenin byla přepočítána na obsah síry
a pomocí získaných ploch byla sestavena kalibrační křivka, která je uvedena na Obr. 1b. Jak je vidět, v obou
případech je závislost plochy signálu na celkovém obsahu síry v analyzovaném vzorku lineární a umoţňuje
stanovení nízkých koncentrací sirných látek přímo v plynu. Jak je vidět z kalibrační křivky naměřené pomocí
kapalných roztoků různých sirných sloučenin v toluenu, odezva detektoru je v závislosti na koncentraci lineární
a je nezávislá na tom, v jaké formě se síra v molekule nachází. Uvedená vlastnost SCD byla dále pouţita pro
stanovení a výpočet obsahu sirných sloučenin v plynu.
ANALÝZA PLYNU ZE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY POMOCÍ SCD
Po kalibraci SCD bylo provedeno stanovení sloţení a obsahu sirných látek v plynu ze zplyňování biomasy.
Vzorek analyzovaného plynu byl odebrán za druhým stupněm vícestupňového zplyňovacího generátoru,
mnoţství znečišťujících látek by v něm tedy mělo být niţší. Chromatografický záznam sirných sloţek přítomných
v plynu je uveden na Obr. 2, identifikace a jejich mnoţství jsou uvedeny v Tab. 2. Hlavní sloţkou plynu je
sirovodík, jeho obsah se pohybuje okolo 10 mg/m3. V důsledku toho, ţe zdrojem plynu je dřevo, obsah síry
zpravidla nepřesahuje 0,02 % hm., a při jeho zplyňování se jen část síry transformuje do plynu, nepřesahují
běţné koncentrace H2S v plynu hodnotu 150 aţ 200 mg/m3. Obsah sirovodíku v plynu za prvním stupněm
se pohyboval okolo 40 aţ 50 mg/m3. Za druhým stupněm poklesl jeho obsah na hodnotu 9,7 mg/m3, v plynu byl
také nalezen thiofen, ale v koncentraci ještě niţší (0,57 mg/m3). V ještě niţší koncentraci byla nalezena další
sirná sloučenina (R.T.=1,956 min), ale její identifikace se nezdařila.
Obr. 2 Chromatogram sirných sloučenin v plynu za druhým stupněm zplyňovacího generátoru
Tab. 2 Identifikace sirných sloučenin, jejich obsah v plynu a obsah síry v plynu
Ret. čas
[min]
1,009
1,956
3,372
Obsah síry
[mg/m3]
H2S
9,09
neidentifikován 0,08
oThiofen
0,22
Sloučenina
Obsah
[mg/m3]
9,66
0,57
/ 15 /
Brno 2010
A bu n da n ce
a
T I C : D S K _ D 1 P _ 2 0 -1 . D
7500000
7000000
6500000
6000000
5500000
5000000
4500000
4000000
3500000
3000000
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
2 .0 0
4 .0 0
6 .0 0
8 .0 0
1 0 .0 0
1 2 .0 0
1 4 .0 0
1 6 .0 0
1 8 .0 0
2 0 .0 0
2 2 .0 0
T im e -->
b
Obr. 3 Chromatografický záznam z analýzy obsahu a sloţení dehtu (a) pomocí GC-MS a sirných sloučenin
přítomných v něm (b) pomocí GC-SCD
Při provozu uvedeného generátoru byly odebírány vzorky plynu pro stanovení obsahu dehtu. Plyn byl odebírán
bezprostředně za prvním a druhým stupněm zplyňovacího generátoru a dehet z něj byl odebrán a analyzován dle
TAR Protokolu. [9] Stanovení obsahu dehtu z acetonového absorpčního roztoku s pouţitím GC-MS ukázalo (viz.
Obr. 3a), ţe se jedná o směs terciálního a sekundárního dehtu a jeho obsah v plynu za prvním stupněm
se pohyboval mezi 6 700 aţ 7 000 mg/m3. Do kategorie dehtu jsou započítány všechny uhlovodíky s bodem varu
vyšším, neţ má toluen. Po průchodu uvedeného plynu druhým (čistícím) stupněm, realizovaným kombinací
parciální oxidace a katalytického štěpení na uhlíkatém zbytku, poklesl jeho obsah na hodnotu 45 mg/m3. Jak je
vidět na Obr. 3b, v dehtu za generátorem bylo přítomno široké spektrum sirných organických sloučenin. Bohuţel
přesná identifikace jednotlivých sirných sloučenin vzhledem k absenci vhodných chromatografických standardů
provedena nebyla, ale pravděpodobně se jedná o thiofen, benzothiofen, dibenzothiofeny a jejich izomery
a alkylderiváty. V absorpčním roztoku acetonu byla také nalezena i menší mnoţství sirovodíku (je prvním pásem
na GC-SCD záznamu). Celková plocha chromatografických pásů sirných sloučenin byla pouţita pro výpočet
celkového obsahu síry v dehtu. Obsah organické síry v plynu jímaném za zplyňovacím generátorem byl
9,72 mg/m3. V plynu, který prošel čistícím stupněm, bylo naměřeno pouze 0,47 mg/m3. Jak je vidět, součástí
dehtu jsou sirné sloučeniny, jejich podíl je sice nízký, ale přesto není zanedbatelný. Obsah organických sirných
sloţek v plynu představuje jen zlomek z celkového obsahu sirných sloučenin v plynu, ale v důsledku toho, ţe mají
odlišné fyzikálně-chemické vlastnosti, nemusí tyto látky být z plynu odstraněny společně s H2S pomocí běţně
pouţívaných postupů. Zbylé organické sirné sloučeniny jsou hlavním zdrojem pozvolné deaktivace katalyzátorů
pouţívaných při FT syntézách, přípravě syntetického ZP, a také mohou být příčinou postupné deaktivace
vysokoteplotních palivových článků pracujících při teplotách okolo 600 °C (MCFC). Celkové mnoţství sirných
látek v plynu za druhým stupněm generátoru je nízké (<10 mg/m3), ale bohuţel je uţ nepřijatelné pro procesy
katalytického odstraňovaní na aktivních niklových katalyzátorech (při teplotách 500 - 550°C), kde bezpochyby
bude také pozorována jejich pozvolná deaktivace.
ZÁVĚR
Ze stručného přehledu analytických metod uvedených v daném článku vyplývá, ţe optimální pro stanovení
nízkých koncentrací sirných látek přítomných v plynech z termické konverze biomasy je plynová chromatografie
se sirným chemiluminiscenčním detektorem (GC-SCD). Metoda má vysokou citlivost a selektivitu, coţ umoţňuje
/ 16 /
Brno 2010
přímé stanovení nízkých koncentrací sirných látek v plynu. Tato metoda byla pouţita pro stanovení sloţení
a obsahu sirných látek přítomných v plynu z dvoustupňového zplyňování dřevní biomasy, kdy umoţnila jak
stanovení sirných látek přímo v plynu, tak i sirných sloučenin přítomných v dehtu. Získané znalosti ukazují na to,
ţe hlavní sloţkou plynu je sirovodík (>90 %), v niţších koncentracích je v plynu přítomen thiofen. Dehet
zachycený z plynu obsahuje i další sirné sloučeniny (benzothiofen a dibenzothiofeny), jejich podíl je nízký, přesto
není zanedbatelný, a to hlavně z hlediska dalšího katalytického zušlechťování plynu. Nespornou výhodou
uvedené analytické metody je absence vlivu uhlovodíků přítomných jak v plynu, tak v absorpčních roztocích
s dehtem, a lineární odezva detektoru na obsah síry ve vzorku. Uvedená metoda je také komplementární k TAR
Protokolu, a tak umoţňuje odebrané vzorky pouţít pro stanovení sirných látek v nich zachycených.
Poděkování
Autoři děkují MŠMT ČR za podporu v rámci výzkumného záměru MŠMT ČR č. MSM6046137304. Část práce
uvedená v dané publikaci byla provedena za podpory MPO, a to v rámci projektu FR-TI2/442.
POUŢITÁ LITERATURA
[1] ŠAFÁŘOVÁ, M. a kol. (2010): Chování arzenu a síry v procesu pyrolýzy hnědého uhlí. Paliva č. 2,
VŠCHT Praha, str. 93 – 97, dostupné na:
http://paliva.vscht.cz/data/clanky/26_chovani_arzenu_a_siry_v_procesu_pyrolyzy_hnedeho_uhli.pdf&pli=1
[2] WILSON, W. H.; KLEE, M. S. (1997): Analysis of Sulfur and Phosphorus Compounds with a Flame
Photometric Detector on the Agilent 6890 Series Gas Chromatograph. Agilent Technologies, Inc..
[3] WARDENCKI, W.; ZYGMUNT, B. (1991): Gas chromatographic sulphur-sensitive detectors in environmental
analysis. Analytica Chemica Acta 255, str. 1 – 13.
[4] KIRSHEN, N.: The Determination of Sulfur Gases in Natural Gas with Pulsed Flame Photometric Detector
(PFPD). Varian Application Note number 60.
[5] CHUDOBA, J. (2001): Diplomová práce. Analýza středních ropných frakcí s vyuţitím plynové
chromatografie. VŠCHT, Praha.
[6] VOLKA, K. a kol. (1995): Skripta: Analytická chemie II. VŠCHT, Praha.
[7] JOHNSON, J. E.; LOVELOCK, J. E. (1988): Electron Capture Sulfur Detector: Reduced Sulfur Species
Detection at the Femtomole Level. Analytic Chem., 60, str. 812 – 816.
[8] BARGER, A. (2010): Diplomová práce. Stanovení stopových koncentrací sirných látek v hořlavých plynech,
VŠCHT, Praha.
[9] BRAGE, C.; SJÖSTRÖM, K. (2002): An outline of R&D work supporting the Tar Guideline, KTH, Stockholm,
Sweden, [cit. 5. 1. 2011], dostupné na: http://www.tarweb.net/pdf/final-rd-report.pdf
/ 17 /
Brno 2010
/ 18 /
Brno 2010
STUDIUM PRODUKTŦ PYROLÝZY VZORKU DŘEVNÍCH PELET PŘI VSÁZKOVÉ PYROLÝZE
V ROZMEZÍ TEPLOT 400 AŢ 800 °C
Aleš Barger, Siarhei Skoblia
Pyrolýza je termickým rozkladem organické hmoty za nepřítomnosti vzduchu, kdy je energie přítomná
v původním vzorku transformována do plynných, kapalných a pevných produktů pyrolýzy a jejich složení
a množství je ovlivněno podmínkami experimentu. Pro studium distribuce a složení produktů byl vybrán vzorek
dřevních pelet, který byl podroben vsázkové pyrolýze v rozmezí teplot od 400 do 800 °C.
Klíčová slova: biomasa, pyrolýza, dřevní pelety
V současné době je energie z biomasy získávána především přímým spalováním. Existuje však i řada dalších
procesů, mezi něţ patří například fermentace, esterifikace, zplyňování, atd.. Pomocí těchto procesů je moţno
získat energeticky hodnotné produkty jako bioethanol, estery rostlinných olejů nebo bioplyn. V neposlední řadě
patří mezi tyto procesy pyrolýza. Pyrolýza patří svou fyzikálně – chemickou podstatou mezi procesy termické
konverze a můţe vést k transformaci biomasy na ušlechtilejší plynná a kapalná paliva. Neméně významná je
i moţnost vyuţití pyrolýzy k získávání cenných chemických surovin. [1]
VLASTNOSTI POUŢITÉHO VZORKU
Pro experiment byly pouţity dřevní pelety z měkkého dřeva. Vlastnosti pouţitých pelet jsou přehledně shrnuty
v Tab. 1.
Tab. 1 Vlastnosti pouţitých pelet
Technická analýza
voda [% hm.]
popel [% hm.]
prchavá hořlavina [% hm.]
Qs [MJ/kg]
Qi [MJ/kg]
8,40
1,00
90,60
18,10
16,70
Elementární analýza (daf)
C [% hm.]
O [% hm.]
N [% hm.]
H [% hm.]
S [% hm.]
Sspal [% hm.]
Cl [% hm.]
48,70
44,00
0,10
6,10
0,10
0,03
0,03
PODMÍNKY PYROLÝZY
Pro pyrolýzu dřevních pelet byla pouţita laboratorní aparatura (schéma Obr. 1, fotografie Obr. 2), jejíţ základ
tvořila elektricky vytápěná pec s křemenným reaktorem o vnějším průměru 35 mm a délce 450 mm. Teplota
uvnitř pece byla regulována termočlánkem typu K.
Horní část reaktoru byla uzavřena koncovkou se zábrusem, která byla opatřena trubkovým vývodem pro odvod
kapalných a plynných produktů pyrolýzy. Na boku byl reaktor opatřen přívodem inertního plynu zavedeným
na dno reaktoru křemennou trubičkou (150 ml.min-1), která byla umístěna na vnitřní stěně křemenného reaktoru.
Proplach slouţil pro odstranění vzduchu z reaktoru a navazující časti aparatury před pyrolýzou a také měl
napomáhat odvodu vznikajících pyrolýzních produktů z reaktoru v průběhu experimentu.
Část reaktoru, kterou nebylo moţno zasunout do pece, byla pro zamezení akumulace kapalných produktů
ohřívána na teplotu 140 °C. Teflonovou hadicí byl plyn odváděn do soustavy tří za sebou zapojených
promývacích baněk naplněných skleněnými kuličkami. První dvě promývací baňky byly chlazeny na 0 °C lázní
z ledové tříště, třetí byla chlazena v lázni tvořenou suchým ledem v ethanolu (-78 °C). Poté byl plyn veden přes
keramickou fritu, která měla odstranit zbytky aerosolu, do předem evakuovaného tedlarového vaku.
Ing. Aleš Barger, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, VŠCHT Praha, Technická 6, Praha 6, 166 28,
[email protected]
/ 19 /
Brno 2010
Hmotnostní bilance pevného a kapalného podílu byla provedena na základě váţení pyrolýzního reaktoru a všech
částí pouţité aparatury (teflonové hadičky, spojky, promývací baňky, frita) před a po experimentu. Celková
hmotnostní bilance pevného zbytku a kapalného kondenzátu spolu s vypočtenou hmotností vzniklého plynu jsou
uvedeny v Tab. 2.
Obr. 1
Schéma pyrolýzní aparatury
R – regulátor průtoku inertního plynu, 1 – elektricky vytápěná pyrolýzní pec, 2 – křemenný reaktor, 3, 4, 5 –
promývací baňky naplněné skleněnými kuličkami, umístěné v chladicích lázních, 6 - porézní keramický filtr, 7 –
tedlarový plynotěsný vzorkovací vak
Obr. 2 Fotografie experimentální aparatury (a) a pyrolýzního reaktoru (b), označení jako na Obr. 1
Tab. 2 Hmotnostní bilance hlavních produktů pyrolýzy
Teplota
[°C]
400
500
600
700
800
Naváţka Pyrolýzní zbytek
[g]
[g]
[% hm.]
50,85
16,85
33,14
50,02
12,83
25,65
50,40
11,18
22,18
50,72
10,37
20,45
50,15
10,17
20,28
Kondenzát
[g]
[% hm.]
28,31
55,67
29,97
59,92
30,20
59,92
29,69
58,54
27,43
54,70
Plyn *
[g]
6,83
7,80
9,10
10,63
12,52
[% hm.]
13,42
15,60
18,05
20,95
24,96
Suma
[g]
51,99
50,60
50,48
50,69
50,12
[% hm.]
102,23
101,17
100,15
99,94
99,93
* hodnota byla vypočtena ze složení
PRŦBĚH EXPERIMENTU
Reaktor byl naplněn známým mnoţstvím předem vysušených dřevních pelet a po důkladném propláchnutí celé
aparatury inertním plynem byl zasunut do vyhřáté pece. Experiment byl po celou dobu sledován a první
desetilitrový tedlarový vak slouţící k jímání pyrolýzního plynu byl podle potřeby po naplnění vzorkem plynu
nahrazen ještě dodatečným pětilitrovým vakem.
/ 20 /
Brno 2010
Sloţení plynu bylo stanoveno pomocí plynového chromatografu HP 6890, který byl osazen dvěma nezávislými
kanály pro stanovení permanentních plynů (TCD) a uhlovodíků (FID). Pro analýzu bylo pouţito definované
mnoţství zachyceného plynu z vaku. Pouţitý analytický systém detekuje vodík, kyslík (+ argon), dusík, oxid
uhličitý, oxid uhelnatý, methan, ethan, ethylen, propan, propen, propin, cyklopropan, propandien, C4 uhlovodíky
(včetně cyklické a nenasycených forem), i-pentan, n-pentan, penteny, n-hexan, benzen a toluen.
Po skončení analýzy plynu z vaků byl zjišťován celkový objem plynu ve vaku. Objem odebraného plynu byl
měřen pomocí mokrého plynoměru zapojeného za čerpadlem odčerpávajícím plyn z vaku. Po analýze byl
proveden přepočet na suchý stav a stav prostý dusíku, jímţ byla aparatura po celou dobu proplachována. Objem,
sloţení a spalné teplo plynu z jednotlivých experimentů jsou uvedeny v Tab. 5.
Tab. 3 Obsah popela a hodnota spalného tepla pevného pyrolýzního zbytku
Teplota
[°C]
400
500
600
700
800
Obsah popela
[% hm.]
1,30
1,67
1,87
2,03
2,03
Spalné teplo
[MJ/kg]
30,45
32,86
33,65
33,67
33,50
Tab. 4 Obsah pyrolýzní vody v pyrolýzním kondenzátu
Teplota
[°C]
400
500
600
700
800
Celkový kondenzát
[g]
28,31
29,97
30,20
29,69
27,43
Pyrolýzní voda
[g]
14,97
11,22
10,02
11,50
11,16
Pyrolýzní voda
[% hm.]
52,87
37,44
33,17
38,73
40,69
Organický podíl
[g]
13,34
18,75
20,18
18,19
16,27
Obr. 3 Zastoupení majoritních sloţek plynu v závislosti na teplotě pyrolýzy
/ 21 /
Organický podíl
[% hm.]
47,13
62,56
66,83
61,27
59,31
Brno 2010
Tab. 5 Vlastnosti pyrolyzního plynu uvolňovaného při různých teplotách. Objem, sloţení a spalná tepla
pyrolýzního plynu
Teplota experimentu, [°C]
Původní objem plynu, [dm3]
Objem plynu (bez inertu), [dm3]
Sloţení
CO2
H2
CO
CH4
ethan
ethylen
acetylen
propan
propen
propin
butany
SC4(=)
1,3-butadien
1-buten-3-in
cyklopentadien
benzen
toluen
ostatní
Suma, [%]
Spalné teplo, [MJ/m3]
Hmotnost odebraného plynu*, [g]
400
13,924
4,299
500
13,530
5,321
52,865
0,683
36,879
7,629
0,695
0,494
0,000
0,196
0,298
0,000
0,038
0,117
0,019
0,000
0,002
0,019
0,001
0,065
100
9,44
6,825
42,101
2,080
39,307
13,557
1,188
0,764
0,002
0,234
0,393
0,003
0,041
0,155
0,028
0,001
0,004
0,035
0,002
0,105
100
13,10
7,803
600
14,013
6,783
% obj.
33,819
7,042
39,966
15,928
1,124
0,904
0,000
0,206
0,451
0,013
0,034
0,177
0,044
0,001
0,009
0,073
0,008
0,201
100
15,09
9,096
700
14,486
9,069
800
15,295
11,073
25,910
16,685
37,920
16,017
0,996
1,133
0,062
0,165
0,534
0,029
0,025
0,189
0,071
0,003
0,015
0,046
0,009
0,191
100
16,25
10,628
21,987
18,461
39,451
15,679
1,008
1,609
0,118
0,151
0,725
0,052
0,021
0,242
0,114
0,006
0,024
0,051
0,017
0,282
100
17,38
12,515
* hmotnost plynu byla vypočtena pro 20 °C s použitím stavové rovnice ideálního plynu
Tab. 6 Základní vlastnosti agrotechnického odpadu
Technická analýza
voda [% hm.]
popel [% hm.]
prchavá hořlavina [% hm.]
Cfix [% hm.]
Qsd [MJ/kg]
Qsdaf [MJ/kg]
Sypná hmotnost [kg/m3]
8,96
6,24
68,57
16,23
16,64
17,75
124
Elementární analýza (daf)
C [% hm.]
O [% hm.]
N [% hm.]
H [% hm.]
S [% hm.]
Cl [% hm.]
P [% hm.]
47,09
45,03
0,96
6,55
0,19
0,15
0,03
Naměřené hodnoty byly srovnány s výsledky dřívější pyrolýzy agrotechnického odpadu (drť slámy, trávy
a šťovíku). Vlastnosti tohoto materiálu jsou uvedeny v Tab. 6. Materiál byl podroben pomalé pyrolýze
ve vsázkovém reţimu v rozmezí teplot 300 – 600 °C. Podmínky experimentů byly stejné jako při pyrolýze
dřevních pelet, pouze část pyrolýzní aparatury pouţitá pro zachycení plynu byla mírně odlišná. Pro záchyt
/ 22 /
Brno 2010
kondenzátu bylo pouţito 4 promývacích baněk (jedna pouze s filtrem, nově nahrazena fritou), vzorky pyrolýzního
plynu byly odebírány do skleněných vzorkovnic a objem vznikajícího plynu byl přímo při experimentu měřen
na mokrém plynoměru.
Vzorek dřevních pelet byl pomocí pyrolýzy transformován na pevné, kapalné a plynné pyrolýzní produkty v jiném
poměru neţ vzorek agrotechnického odpadu. Zastoupení a vzájemné porovnání produktů pyrolýzy v obou
případech je shrnuto v Tab. 7.
Tab. 7 Porovnání výsledků pyrolýzy dřevních pelet a agrotechnického odpadu
Teplota
[°C]
Pyrolýzní zbytek
[% hm.]
Kondenzát
[% hm.]
300
400
500
600
700
800
Pelety
32,41
25,35
22,15
20,46
20,29
Pelety
54,46
59,23
59,83
58,57
54,73
A. O.
50,52
36,00
28,65
27,17
-
Plyn
[% hm.]
A. O.
30,93
40,00
42,19
41,30
-
Pelety
13,13
15,42
18,02
20,97
24,97
A. O.
18,56
24,00
29,17
31,52
-
DISKUZE VÝSLEDKŦ
Hmotnostní bilance pyrolýzy při různých teplotách je shrnuta v Tab. 2. Hmotnost pyrolýzního zbytku se s rostoucí
teplotou pyrolýzy sniţovala z 33,1 % hm. při 400 °C aţ na 20,3 % hm. při 800 °C. Pyrolýzní kondenzát dosáhl
svého maxima 59,9 % hm. při teplotách 500 a 600 °C. Při 400 °C ještě nedocházelo k úplnému uvolnění prchavé
hořlaviny z pyrolýzního zbytku a při 700 a 800 °C jiţ docházelo k dalšímu štěpení kondenzátu. Podíl uvolněného
plynu se s rostoucí teplotou zvyšoval v důsledku štěpení pevného zbytku a kapalného kondenzátu z 13,4 % hm.
při 400 °C aţ na 25,0 % hm. při 800 °C.
V Tab. 3 jsou uvedeny hodnoty obsahu popelovin a spalného tepla v pevném pyrolýzním zbytku. Se vzrůstající
teplotou pyrolýzy dochází ke stále většímu štěpení původního vzorku pelet a veškeré popeloviny jsou
zakoncentrovávány v pevném zbytku. Obsah popelovin byl stanoven na 1,30 % hm. při 400 °C a 2,03 % hm. při
800 °C. Obsah popelovin v původním vzorku je 0,4 % hm.. Hodnota spalného tepla pevného pyrolýzního zbytku
se kvůli vyššímu stupni prouhelňování a ztrátě většího podílu kyslíku zvyšovala z 30,45 MJ/kg při 400 °C aţ přes
33,50 MJ/kg při teplotách nad 600 °C.
Obsah organických látek a pyrolýzní vody v kondenzátu je uveden v Tab. 4. Obsah pyrolýzní vody v kondenzátu
byl zjištěn pomocí plynové chromatografie s MS detektorem. Obsah organických látek byl pak dopočítán
do celkové hmotnosti kondenzátu. Obsah pyrolýzní vody byl nejvyšší ve vzorku obdrţeném při 400 °C
(52,9 % hm.), nejniţší naopak při teplotě 600 °C (33,2 % hm.). V ostatních experimentech se drţel blízko hodnoty
40 % hm.. Organický podíl dosáhl svého maxima při teplotě 600 °C, a to hodnoty 66,8 % hm.. Při dalším
zvyšování teploty pyrolýzy jiţ docházelo k jeho dalšímu štěpení.
Z hlediska kinetiky pyrolýzního procesu byl nejintenzivnější vývoj plynu pozorován v krátkém čase (3-5 min) po
vloţení reaktoru do pece. Intenzita vývoje plynu stoupala s rostoucí teplotou experimentu. Většina kondenzujících
sloučenin byla zachycena v promývacích baňkách se skleněnými kuličkami a na porézním keramickém filtru.
Po určité době, závislé na teplotě pyrolýzy, se vývoj pyrolýzního plynu podstatně sníţil. Obsah majoritních sloţek
(CH4, CO2, ethan, ethylen) přítomných ve druhém odběrovém vaku se podstatně sníţil, podíl inertního dusíku se
zvýšil a při vyšších teplotách se v této fázi uvolňoval ve větší míře vodík vznikající dalším štěpením pyrolýzního
zbytku.
Z 0 je patrné, ţe objem pyrolýzního plynu a jeho energetický obsah narůstají spolu s teplotou. Nárůst spalného
tepla z 9,4 aţ na 17,4 MJ.m-3 je zapříčiněn změnami sloţení plynu, kdy se s rostoucí teplotou pyrolýzy sniţuje
/ 23 /
Brno 2010
obsah CO2 v plynu a naopak roste podíl vodíku a methanu. Obsah CO v plynu si stále udrţuje téměř stejnou
hladinu. Porovnání obsahu majoritních sloţek plynu v závislosti na teplotě pyrolýzy je uvedeno na Obr. 3.
V porovnání se směsí drcené slámy, trávy a šťovíku vzniká při pyrolýze dřevních pelet výrazně větší podíl
kapalného kondenzátu. Naopak při pyrolýze agrotechnického odpadu vzniklo více pyrolýzního plynu. Mnoţství
pevného pyrolýzního zbytku se nijak výrazně neliší, větší ovšem bylo u vzorku agrotechnického odpadu. Z těchto
výsledků lze vyvodit, ţe podíl jednotlivých produktů pyrolýzy lze ovlivnit nejen teplotou pyrolýzy, ale i volbou
výchozí suroviny.
PODĚKOVÁNÍ
Autoři děkují MŠMT ČR za finanční prostředky poskytnuté v rámci výzkumného záměru MŠMT ČR
č. MSM6046137304. Část práce uvedená v dané publikaci byla provedena za podpory MPO, a to v rámci
projektu FT-TI1/219.
1
2
BARGER, A. (2008): Pyrolýza biomasy. Bakalářská práce. VŠCHT Praha, 47 s.
BARGER, A.; SKOBLIA, S.; BURYAN, P. (2008): Zpracování agrotechnického odpadu pomocí pomalé
nízkoteplotní pyrolýzy. Sborník příspěvků z konference Energie z biomasy IX. Vysoké učení technické
v Brně. str. 8 – 13. ISBN: 978 - 80 - 214 - 3803 - 3
/ 24 /
Brno 2010
VYUŢITIE OLIVOVÝCH ZVYŠKOV PRE ENERGETICKÉ ZHODNOTENIE
Juraj Beniak
Človek v súčasnej době čelí dvom zkladným problémom v oblasti životného prostredia. Je to vysoká miera
produkcie odpadu a tiež vysoká miera spotreby enegie, čo má priemy vplyv na zmenu klímy na našej planéte.
Táto situácia si preto vyžaduje zmeny v modeloch nakladania s odpadmi, a tiež zmeny v modeloch získavania
energie. To znamená využívanie obnoviteľných zdrojov energie namiesto fosílnych palív. Medzi takéto zdroje
patria zdroje biomasy z poľnohospodárskych odpadov. Južné španielsko má veľké zásoby biomasy zostatkového
charakteru z poľnohospodárskej činnosti, ako sú olivové zvyšky. Avšak používanie peliet z olivových listov alebo
zmes rôznych častí olivových zvyškov zatiaľ nie je príliš rozšírené.
Klíčová slova: olivy, olivové zvyšky, energetické zhodnotenie
ÚVOD
Hoci je pestovanie olív distribuované na všetkých piatich kontinentoch, prevláda najmä v Stredomorí, čo
predstavuje 98 percent produkčnej plochy a stromov a 97 percent všetkej produkcie olív [2].
Štyri krajiny (Španielsko, Grécko, Taliansko a Tunisko) predstavujú samy o sebe:
• 65 percent plochy
• 76 percent stromov v produkcii
• 74 percent z celkovej produkcie olív
V celosvetovom meradle môţe byť význam pestovania olív popísať nasledovnými číslami (Tabuľka 1):
Tab. 1 Veľkosť svetovej produkcie
- Celková plocha
- Stromov v produkcii
- Produkcia olív
- Produkcia oleja
7 000 000 ha
600 000 000
8 400 000 ton
1 600 000 ton
V procese spracovania olív sa vytvorí veľké mnoţstvo vedľajšieho produktu (olivové zvyšky) ktoré obsahujú
kvapalné a pevné zvyšky po separácii olivového oleja. Je známe ţe tieto zvyšky po spracovaní spôsobujú veľké
problémy ţivotnému prostrediu. Avšak tieto zvyšky nie sú bezcenné a mohli by sa ďalej spracovať a vyuţiť:
-ako kompost alebo pôdne hnojivo
-ako herbicídy, pesticídy
-ako krmivo pre zvieratá alebo pre ľudskú potrebu
-získanie olejových zvyškov
-na extrakciu organických látok (pektín, antioxidanty, enzýmy)
-na výrobu rôznych výrobkov (alkohol, biosurfaktanaty, polyméry)
-získanie energie
VÝROBA ENERGIE
Účelom je nakladanie odpadom z extrakcie olivového oleja , ktorého cieľom je výroba energie. Zaujímavou
alternatívou pre spracovanie zvyškov po spracovaní olív, ktoré zníţi negatívny vplyv na ţivotné prostredie je
výroba elektrickej energie za účelom predaja, alebo na pokrytie energetických potrieb vlastného podniku na
spracovanie olív.
Zvyšky biomasy v priebehu pestovania a spracovania olív s potenciálom pre energetické vyuţitie, môţeme
rozdeliť do dvoch skupín
*Prvá skupina sa skladá zo zvyškov biomasy, ktorá vzniká v priebehu pestovania olivovníkov (zvyšky po rezoch
a zbere úrody olív)
*Druhú skupinu tvoria zvyšky biomasy, ktoré vznikajú v rôznych fázach výroby olivového oleja.
Ing. Juraj Beniak, PhD., Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. Slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected]/ 25 /
Brno 2010
V závislosti od vyťaţenosti (ako dôkladne je extrahovaný olej z olív) je samozrejme aj mnoţstvo energie v týchto
vedľajších produktoch iné.
Z energetického hľadiska máme nasledovné priaznivé aspekty pouţitia oboch týchto skupín:
-poistenie ročnej produkcie suroviny
-relatívny koncentrácia na malom priestore
-prijateľná vlhkosť, nízka koncentrácia síry a iných škodlivých látok, a vysoká hodnota výhrevnosti
Avšak je potrebné navrhnúť a zaviesť tú správnu technológiu, aby sme zabránili vzniku znečistenia a ďalších
problémov v procese spracovania.
Existujú tri hlavné termo-chemické metódy na získanie energie z tohto obnoviteľného zdroja energie:
-splyňovanie
-briketovanie
-spaľovanie (priame) alebo spolu spaľovanie s iným palivom.
Splyňovanie
Spôsob splyňovania v sebe zahŕňa vytvorenie bioplynu (metánu) za pomoci anaeróbneho rozkladu olivových
zvyškov ktoré vznikajú po extrakcii oleja. Splyňovanie je termo-chemický proces, ktorý zmení biomasu na plyn na
spaľovanie, tzv. syntetický plyn. Tento plyn obsahuje oxid uhoľnatý, vodík, vodu, daru, oxid uhličitý a čiastočky
popola a môţu byť pouţité v mnohých systémoch horenia, ako sú kotle, pece a plynové motory v závodoch. Táto
technológia splyňovania je vo fáze vývoja. Hlavnou nevýhodou tohto zariadenia je vysoká cena inštalácie
a uvedenia zariadenia do prevádzky.
Briketovanie
Briketovanie je lacná technika, pouţívaná pre spracovanie širokej škály materiálov do kompaktných blokov
a pouţíva sa ako tuhé palivo. Briketovať sa dajú rôzne materiály biomasy, taktieţ zbytkový materiál po extrakcii
olivového oleja.
Pre briketovaní by sme mali dodrţiavať nasledujúce hlavné parametre:
-drolivosť, veľkosť kompresie, odolnosť voči nasávaniu vody, vlastnosti spaľovania a emisie pri spaľovaní.
Zvyšky z olív majú strednú odolnosť voči vode v porovnaní s inými zdrojmi biomasy. Emisie z horiacich brikiet sa
môţu líšiť. Horenie sa zvyčajne deje v relatívne nekontrolovanom prostredí a môţe byť škodlivé pre ţivotné
prostredie. Domnievame sa však, ţe potreba alternatívnych zdrojov energie sa v blízkej budúcnosti zvýši, pretoţe
brikety sú oveľa lepšou alternatívou k uhliu.
Co-spağovanie
Co-spaľovanie (spolu-spaľovanie) tuhých zvyškov olív znamená ich spaľovanie s jedným alebo viacerými
prídavnými palivami (napr. drevo alebo uhlie), súčasne. Toto sa môţe diať napríklad v zariadeniach (spaľovacích
komorách) pre výrobu elektrickej energie. Co-spaľovanie pevných zvyškov olív s uhlím je všeobecne povaţované
za najviac nákladovo efektívne. Pevných zvyškov po spracovaní olív, mnoţstvo uvoľnenej energie, a podobne,
má podobné črty ako spaľovanie uhlia.
Tuhé zvyšky po extrahovaní olivového oleja, moţno povaţovať za alternatívne palivo, ktoré obsahuje malé
mnoţstvá
síry
(0,05-0,1%),
majú
pomerne
hustú
štruktúru
a
výhrevnosti
21000kJ/kg. Energetická hodnota môţe byť porovnávaná s kalorickou hodnotou dreva (17000kJ / kg) a hnedého
uhlia (23.000 kJ / kg).
Pozostatky z dvojfázového odstreďovacieho systému olivového oleja sú tieţ potenciálne palivo s vysokou
kalorickú hodnotu.
V tomto prípade, sušenie je operácia, ktorá vţdy musí predchádzať spaľovaniu, aby sa
zníţil obsah vody (vlhkosti).
Anaeróbna výroba bioplynu
Anaeróbna výroba bioplynu je účinný postup pre konverziu rôznej biomasy na metánu, ktorý môţe nahradiť
zemný plyn so strednou výhrevnosťou plynu.
/ 26 /
Brno 2010
Napríklad, 1m3 bioplynu vyprodukovaného anaeróbne z odpadových vôd zo spracovania olív obsahuje 60-80
kWh energie. Postup je moţné vykonávať v relatívne lacnom reaktore jednoduchého dizajnu, jednoduchým
postupom.
Efektívne vyuţitie pevných zvyškov s olivovým olejom na výrobu energie rieši dva problémy v jednom kroku:
ekologickej výrobe energie a prijateľnom odstránení zvyškov olív.
PROCES VÝROBY PELIET
Výrobný proces
Všeobecný výrobný proces týchto peliet je zhrnutý na obrázku 1. Surovina, ktorá je rôznej veľkosti, prichádza na
vrátnicu, kde je zmeraná vlhkosť a váha. V prvej fáze je veľkosť materiálu je zníţená na 20 - 40 mm s kladivovým
mlynom. Vzhľadom k tomu ţe surovina má rôznu úrovne vlhkosti, je potrebné jej sušenie, kým sa jej vlhkosť
nezníţi na menej ako 15%. Zníţenie vlhkosti sa dosahuje pomocou rotačnej sušiarne. Generovanie horúceho
vzduchu na sušenie pochádza z vykurovania biomasou. Pozostáva z horáka, spaľovacej komory, a nádoby na
popol. Magnety a sitá sa pouţívajú na odstránenie neţiadúcich častíc pred vstupom materiálu do kladivového
mlyna. Pelety s priemerom 6 alebo 8 mm sú vyrábané bez akýchkoľvek prísad [1].
Proces peletovania vyţaduje vysoké teploty, pozornosť je potrebné venovať tieţ správnemu chladeniu
a odvodu tepla predtým ako pelety opustia výrobnú linku, najmä s ohľadom na skladovanie.
Obr. 1
Schéma procesu výroby peliet [1]
Suroviny na výrobu peliet
Na výrobu peliet sa tieţ pouţíva biomasa ktorá vzniká ako zvyšky po pestovaní olív (konáre rôznych veľkostí a
listy). Suroviny sú výsledkom poľnohospodárskej činnosti Čerstvý materiál bol zhromaţďovaný a štiepkovaný v
mieste pôvodu, so špeciálnymi strojmi pouţívanými k tomuto účelu. Následne je tento materiál prepravovaný
nákladnými vozidlami do závodu na výrobu peliet, kde získavame pelety. Obrázok 2 ukazuje dva typy peliet, ktoré
boli testované [1].
Obr. 2 Pelety z konárov olivových stromov a listov olivovníkov, kaţdý zvlášť [1]
/ 27 /
Brno 2010
Tab. 2 Fyzikálne a chemické parametre vzoriek peliet [1]
PARAMETER
Vetvičky olivových stromov
Listy olivových stromov
Objemová hmotnosť (kg/m3)
Hustota (kg/ m3)
Vlhkosť (%)
Odolnosť voči odrolu (kg)
Odolnosť v tlaku (kg)
Dĺţka (mm)
Priemer (mm)
Pomer L/D
Kusov na 100 g
Rozdelenie veľkosti častíc (%) > 16/16-10/10-7/74/4-2.5/<2.5 mm
C (%)
N (%)
S (%)
H (%)
Obsah popola (%)
Výhrevnosť (kcal/kg)
582.53
1259.22
5.37
22.50
21.33
20.36
5.94
3.43
176
0.22/1.81/93.69/3.71/0.04/0.0
1
44.84
0.95
0.00
7.64
4.79
4410.67
481.56
1083.47
6.57
4.00
8.33
10.65
6.04
1.76
322
0.00/1.76/76.22/13.23/5.3
9/3.39
42.80
1.09
0.00
7.05
12.34
4437.67
ZÁVER
Náhrada fosílnych palív obnoviteľnými zdrojmi energie je v súčasnej dobe masívne podporovaná aj zo strany
vlády štátov, kde je táto problematika riešená. Preto je dôleţité podchytiť všetky moţnosti získavania zdrojov
energie a rozvinúť ich na úroveň, kedy je moţné ich efektívne vyuţívanie v praxi. Energetické zhodnocovanie
zvyškov z výroby olivového oleja je jednou z takýchto moţností. Keďţe sa tieto zvyšky doposiaľ vyuţívali
čiastočne ako krmivo pre zvieratá alebo materiál na kompostovanie je predpoklad efektívnejšieho zhodnotenia na
vyššej úrovni.
[1]
[2]
GARCIA-MARAVER, A., RAMOS-RIDAO, A. F., RUIZ, D.P., ZAMORANO, M.: Quality of Pellets fom Olive
Grove Residual Biomass, International Conference on Renewable Energies and Power Quality,
(ICREPQ’10), Granada (Spain), 23th to 25th March, 2010
SANSOUCY, R., ALIBES, X., MARTILOTTI, F., NEFZAOUI, A., ZOÏOPOULOS, P., Olive by-products for
animal feed, M-23, ISBN 92-5-101488-4, (Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome,
1985, © FAO
/ 28 /
Brno 2010
POROVNÁNÍ KVALITY PLYNŦ PRODUKOVANÝCH SOUPROUDÝMI GENERÁTORY V ČESKÉ
REPUBLICE
Zdeněk Beňo, Siarhei Skoblia
Energetické využití biomasy se vzhledem k růstu cen fosilních paliv dostalo opět do popředí zájmu. V příspěvku
jsou prezentovány a komentovány výsledky z měření na dvou technicky relativně vyspělých kogeneračních
jednotkách umístěných v ČR. Jednotky se vyznačují především vysokým stupněm automatizace a použitím
sofistikovaného vysokoteplotního způsobu čištění výstupního plynu
Klíčová slova: zplyňování, biomasa, čištění plynu, kogenerace, Imbert
ÚVOD
V České republice, stejně jako v jiných zemích Evropy, je intenzivně podporována produkce energie
z obnovitelných zdrojů. Z těchto zdrojů má v podmínkách České republiky největší potenciál biomasa. Vzhledem
k důrazu na výrobu energie s co nejvyšší účinností se pozornost vývojářů zaměřuje na technologii zplynění
biomasy s následnou produkcí elektrické energie, tepla, případně chladu. Nejčastěji se u jednotek s výkonem do
stovek kWe pouţívá souproudý zplyňovací generátor v kombinaci s plynovým motorem, a to hlavně díky velké
toleranci spalovacího motoru k nízké kvalitě produkovaného plynu. U výkonu generátoru v řádu jednotek aţ
desítek MWe je vhodnější zvolit generátory fluidní. Mají-li být vyvíjené jednotky v evropském měřítku komerčně
úspěšné, je nutné dodrţet splnění několika důleţitých kritérií. Hlavím je dosaţení přijatelné ekonomiky provozu.
Tu lze ovlivnit především nízkou cenou vstupů a spolehlivostí provozované technologie. Z toho důvodu se jako
zplyňovacího média převáţně pouţívá vzduch. Typickým palivem souproudých zplyňovacích generátorů je
kvalitní kusové dřevo [1], nicméně jeho cena v současné době roste, a proto je pozornost upřena k méně
kvalitním a méně nákladným palivům typu dřevěné štěpky a odpadů z dřevovýroby. Dalším významným faktorem
ovlivňujícím provozní náklady kogenerační jednotky zaloţené na technologii zplyňování biomasy je potřeba lidské
obsluhy a servisních úkonů. Pro dosaţení příznivé ekonomiky provozu je ţádoucí minimalizovat potřebu lidské
obsluhy díky komplexní automatizaci technologických procesů. S tímto je rovněţ spojena náročnost jednotky na
údrţbu a servis. Jednou z nejchoulostivějších částí zařízení je především samotný plynový motor. V případě
nízké kvality plynu (vysoký obsah dehtu a prachových částic) vstupujícího do motoru mohou nastat, a také
nastávají, poruchy spojené především se zrychleným opotřebováním pístů a válců. Typickým příkladem je
nedostatečně odprášený a oddehtovaný plyn obsahující velké mnoţství pevných částic (TZL) a kondenzovaných
aromatických uhlovodíků se dvěma a více benzenovými jádry. Po spálení v motoru se tvoří uhlíkaté úsady, jenţ
společně s pevnými anorganickými částečkami zvyšují opotřebování válců, sniţují ţivotnost motoru a s tímto je
spojena potřeba častějších servisních úkonů a odstávek a dochází tím k významným ekonomickým ztrátám.
Z tohoto příkladu jasně vyplývá, ţe čistota produkovaného plynu je stěţejní záleţitostí pro bezproblémový chod
celé jednotky. Vhodné kvality plynu, je moţné docílit v zásadě dvěma způsoby, které se v praxi samozřejmě
kombinují a doplňují. Prvním je volba vhodného typu generátoru pro danou aplikaci a optimalizace jeho
provozních parametrů, aby koncentrace neţádoucích sloţek plynu na výstupu z generátoru, byla nejniţší moţná.
S tím je spojená volba paliva o přijatelných parametrech pro daný typ generátoru, eventuelně nutnost modifikací
samotného generátoru, je-li pouţito palivo svými parametry nevhodné.
Tab. 1 Typy zplyňovacích generátorů a jejich parametry
Výstupní teplota Obsah dehtu v
plynu
plynu
°C
g.m-3
Sesuvný souproudý
500-850
0,1-2
Sesuvný protiproudý
70-300
10-100
Stacionární fluidní
750-950
2-5
Cirkulační fluidní
750-950
1-20
Práškový
1000-1300
Dvoustupňový
700-750
>0.005
Typ reaktoru
Obsah TZL v
plynu
g.m-3
0,1-1
0,1-0.5
20-100
5-50
0,1-100
Poţadavky na
kvalitu paliva
Výkony
vysoké
střední
nízké
nízké
vysoké
nízké
nízké
střední
vysoké
vysoké
vysoké
nízké
Ing. Zdeněk Beňo, VSCHT Praha, Technická 5, 16628, Praha 6 - Dejvice, [email protected]
/ 29 /
Brno 2010
Jak z Tab. 1 vyplývá, je pro jednotky nízkých výkonů optimální volba souproudého generátoru, jehoţ zásadními
výhodami jsou prověřená konstrukce, relativně nízké investiční náklady a vhodná kvalita plynu, který obsahuje
relativně nízkou koncentraci dehtu. Další variantou by bylo pouţití dvoustupňového generátoru, který se také
vyznačuje vysokou kvalitou plynu [2], nicméně ten je stále ve vývoji a podle dostupných zdrojů tento typ dosud
nebyl komerčně aplikován. Druhou moţností ovlivnění kvality plynu je vyčištění plynu od přítomných neţádoucích
sloţek v čistícím zařízení umístěném za generátorem. V minulosti byla často volena kombinace multicyklonu pro
odstraňování pevných částic a vodní vypírky pro odstraňování dehtů a anorganických látek (NH 3,HCl). Zásadními
problémy uvedené technologie je ovšem nedostatečná účinnost odstraňování pevných částic (TZL) a relativně
nízká účinnost vodní vypírky při odstranění dehtovitých látek. Nezanedbatelným faktorem je také skutečnost, ţe
dochází ke vzniku odpadní vody znečištěné polyaromatickými uhlovodíky, jejíţ čištění je náročné a drahé, coţ má
rovněţ nepříznivý vliv na ekonomiku celého provozu. Proto se nyní pozornost zaměřuje na bezodpadové a
vysokoteplotní technologie čištění plynu, které mají některé významné výhody. Filtrace pevných částic je
nejčastěji realizována pomocí keramických, eventuelně tkaninových filtrů, které jsou při správném pouţívání
efektivní při odstraňování pevných částic všech rozměrů. K odstraňování dehtu se v poslední době vyuţívá
častěji vypírka organickou kapalinou, která je mnohem účinnější při odstraňování dehtových látek. Pouţitá
organická kapalina se můţe buď regenerovat stripováním, kdy jsou vystripované dehty přiváděny opětovně do
zplyňovacího generátoru a následně je kapalina znovu pouţita, nebo můţe být rovnou spálena v generátoru.
Výhoda obou moţností je, ţe se jedná o bezodpadovou technologii a vzhledem k tomu, ţe odstraněné
uhlovodíky jsou zpět vráceny do procesu, kde jsou zplyněny a nedochází ke sníţení energetického obsahu plynu.
V České republice je několik společností, nebo akademických institucí, které se s větším či menším úspěchem
snaţí o uvedení do provozu konkurenceschopné kogenerační jednotky zaloţené na zplyňování biomasy. Některé
technické a technologické prvky tyto jednotky mají společné, v některých se zase dosti výrazně liší. Zdrojem
plynu v obou případech je souproudý generátor typu Imbert, který byl podroben modifikacím, zaměřeným
především na zlepšení a stabilizaci kvality plynu a také na zvýšení účinnosti celého procesu a jiţ byly blíţe
popsány [2,4]. Některé instituce se pokoušejí i o vlastní konstrukce zplyňovacích generátorů [3]. Ve všech
případech je zplyňovacím médiem vzduch a jako palivo je vyuţíváno buď kusové dřevo, nebo dřevný odpad
například ve formě štěpky, nicméně tento způsobuje v klasických generátorech typu Imbert provozní problémy.
Ve většině případů je vidět snaha o maximální implementaci automatizace klíčových procesů a pokročilých
systémů řízení provozu komplexních jednotek.
Obr. 1 Celkový pohled na generátor, detailní pohled na uzavírací klapku a mobilní palivový vozík
/ 30 /
Brno 2010
V tomto příspěvku jsou blíţe popsány dvě jednotky, které mají relativně blízko ke stavu, kdy by mohly být
komerčně aplikovatelné a konkurenceschopné. Jsou to instalace společností TARPO s.r.o. Kněţeves u
Rakovníka a společnosti BOSS Engineering Bučovice. Bliţší údaje o typu a výkonu generátoru a v něm
pouţívaném palivu jsou uvedeny v Tab. 2.
Tab. 2 Parametry prezentovaných technologických celků
Technologické zařízeni
BOSS, Louka
TARPO,Rakovník
Výkon [kWe]
100(200)
100(200)
typ zplyňovacího
generátoru
modifikovaný Imbert
modifikovaný Imbert
druh a vlhkost paliva
dřevní štěpka, 5% hm.
dřevní štěpka, 10% hm.
Zařízení společnosti BOSS Engineering (Obr. 1) umístěné v obci Louka bylo včetně provedených modifikací
podrobně popsáno jiţ v předchozích příspěvcích [2,4,5]. Zdrojem plynu v kogeneračním zařízení společnosti
TARPO s.r.o. (Obr. 2) je upravený generátor typu Imbert, jehoţ hlavní modifikace jsou zaměřeny především na
rekuperaci tepla a vyšší účinnost termochemické konverze biomasy na plynné palivo.
Obr. 2 Zplyňovací generátor a horký filtr společnosti TARPO s.r.o. umístěný v obci Kněţeves u Rakovníka
/ 31 /
Brno 2010
Průměrné sloţení plynu produkovaného oběma generátory je uvedeno v Tab. 3. V obou případech se jedná o
plyn vznikající zplyněním biomasy vzduchem. Jak je v Tab. 3 vidět, plyn produkovaný generátorem z Louky má
poněkud vyšší obsah CO a niţší obsah CO2. Niţší obsah dusíku v plynu (<50%), poukazuje na to, ţe oba
generátory pracují při niţším zplyňovacím poměru, t.z. vyšší účinnosti neţ podobná zařízení, coţ se také
projevuje i na vyšší hodnotě spalného tepla.
Tab. 3 Průměrné sloţení plynu produkovaného souproudými generátory
Technologické
zařízení
CO
26,2-28,1
16,8-23,2
BOSS, Louka *
TARPO,Rakovník**
Obsah v plynu [% obj.]
CO
H
CH
7,4-9,1
16,6-19,0
1,4-1,8
9,8-13,3
17,6-20,6
1,3-2,0
N
42-44
45-48
Q
[MJ.m-3]
6,6-6,8
5,8-6,4
O chování generátoru mnohem více neţ průměrné sloţení plynu vypoví online záznam koncentrace některých
majoritních sloţek. Příkladem můţe být online záznam koncentrace CO, CO2 a CH4 v plynu ze zařízení
umístěného v obci Louka (Obr. 3). Na průběhu záznamu se zřetelně projevuje vliv způsobu přidávání paliva do
generátoru. Jedná se o kontrolu hladiny paliva v generátoru a proces dávkování paliva (na záznamu označený
červeným bodem). Během těchto úkonů dochází totiţ k otevření horní klapky, coţ má za následek změnu
proudění v generátoru, sníţení poměru koncentrací CO/CO2.Rovněţ dochází ke zvýšení koncentrace methanu,
který indikuje také zvýšenou koncentraci dehtu v plynu.
kon. CO2
prum CO2
dávkování paliva
kon. CO
prum CO
CH4 (dis)
CO2 (dis)
kon. CH4
CO (dis)
mys CH4
30
28
CO
26
Obsah CH4, CO a CO2, %Obj.
24
22
20
18
16
CO2
14
12
10
8
6
4
2
CH4
0
8:00 8:30
9:00
9:30
10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30
čas
Obr. 3 Online záznam koncentrace CO, CO2 a CH4 v plynu
na výstupu z generátoru (Louka)
Jak vyplývá z Tab. 4, modifikace konstrukce generátorů obou jednotek měly pozitivní vliv na sníţení koncentrace
minoritních sloţek (dehtu) v plynu. Bliţší údaje o odběru a analýze vzorků dehtu je moţné najít v literatuře [6].
Hlavními sloţkami dehtu byly především toluen, xyleny a styren. Z polyaromatických uhlovodíků byly nejvíce
zastoupeny naftalen, methylnaftaleny a acenaftylen. Koncentrace vyšších polyaromatických uhlovodíků
nepřekročila jednotky miligramů na kubický metr. Koncentrace kyslíkatých sloţek, které jsou nejvíce obsaţeny
v dehtech z nízkoteplotních procesů, byly v plynech relativně nízké (18,5 mg/m3 u zařízení v Louce, respektive
31,9 mg/m3 u zařízení v Kněţevsi), coţ indikovalo vysoké teploty v reakčních zónách reaktorů a také vysokou
účinnost štěpení dehtů.
/ 32 /
Brno 2010
Tab. 4 Sloţení a obsah dehtu v plynech na výstupu z generátoru
generátor
sloučenina
benzen
toluen
m+p+o-xylen+ethylbenzen
styren
BTX suma
suma kyslíkatých látek
indene+indane
naftalen
methylnaftaleny
alkyl naftaleny (Alkyl ≥C2)
bifenyl
acenaftylen
acenaften
fluorene
PAH M/Z=165,166
fenantrene
antracene
fenylnaftaleny
fluoranthen
pyren
Ostatní sloţky dehtu (výševroucí PAHy)
suma dehet (kromě BTX)
dehet dle "Tar protocol"
BOSS
TARPO
obsah [mg/m3]
689,7
38,4
221,9
116,9
50,0
24,7
43,7
36,4
1012,9
221,0
18,5
31,9
5,0
0,2
68,2
41,8
10,6
4,7
1,0
0,7
3,9
4,4
16,6
6,4
1,2
0,2
1,5
0,0
0,5
0,0
5,1
7,1
3,1
0,9
0,1
0,5
0,8
1,1
1,4
0,8
1,5
4,7
139,3
105,6
462,4
288,2
Čistící tratě se u jednotlivých jednotek poněkud lišily (viz. Tab. 5). Zařízení v Louce bylo vybaveno multicyklonem
v kombinaci s vodní pračkou, ale rovněţ se provádělo testování tratě sloţené z multicyklonu a horkých
rukávcových filtrů. Bylo prokázáno, ţe voda je účinná při odstraňování polárních sloţek dehtů a rozpustných
anorganických látek. Účinnost odstraňování dehtu nebyla vysoká, i kdyţ byla pouţita konstrukčně sofistikovaná
vodní pračka [4]. V případě pouţití horkého tkaninového filtru byly koncentrace dehtu za čistící tratí poněkud
vyšší (viz. Tab. 5.), nicméně hlavní sloţkou byl toluen, který nemá negativní vliv na výkon motoru. Na pevných
tuhých částicích (TZL) zachycených na rukávcových filtrech byly také zjištěny adsorbované vyšší polyaromatické
uhlovodíky (fenantren a vyšší) a v plynu za nimi odpovídající sníţení obsahu uvedených sloţek [4].
U zařízení společnosti TARPO s.r.o. je jako u jediného v ČR vyuţita k čištění plynu technologie zaloţená na
vypírce organickou kapalinou. Plyn vystupující z generátoru je odprášen na keramických svíčkových filtrech při
teplotě cca 400°C a poté je ochlazen a přiveden do olejové pračky. Odstraňování dehtu probíhá dvoustupňově a
pouţitý olej se zachycenými sloţkami dehtu je regenerován stripováním horkým vzduchem. Vzduch nasycený
dehtovitými látkami je následně zpětně veden do generátoru a pouţit jako zplyňovací medium. Výstupní
koncentrace dehtu činila 170 mg/m3, nicméně opět byl hlavní sloţkou toluen. Během dlouhodobého provozu
plynového motoru, který spaloval plyn s jiţ uvedeným obsahem minoritních sloţek, nebyly pozorovány ţádné
technické problémy spojené s přítomnosti dehtu nebo TZL v plynu.
/ 33 /
Brno 2010
Tab. 5 Systém čištění a obsah dehtu před a za čistící tratí u představovaných jednotek.
Technologické
zařízení
BOSS, Louka
TARPO,Rakovník
čistící trať
prach
dehet
cyklon
vodní pračka
cyklon,tkaninový filtr (100-120°C)
horký svíčkový
olejová pračka
filtr
obsah dehtu* [mg/m3]
surový plyn
vyčištěný
220-250
320-480
275-320
290
170
* obsah dehtu dle Tar Protocolu
ZÁVĚR
Prezentované údaje ukazují, ţe modifikované souproudé generátory typu Imbert jsou za určitých podmínek
schopny produkovat plyn s nízkým obsahem dehtu, který je po odstranění TZL a dehtu vhodný k vyuţití ve
spalovacím motoru. Stabilní a dlouhodobý provoz těchto jednotek je silně závislý na technické realizaci a
vědeckém přístupu k procesu zplyňování a čištění plynu. Pro účinné čištění je nutné oddělit proces filtrace
pevných částic od procesu odstraňování dehtu. Vhodné jsou vysokoteplotní procesy pro vyvarování se
kondenzace dehtu a ucpání filtru. Vodní vypírka je nevhodná pro odstranění nízkých koncentrací dehtu z plynu
produkovaného generátory typu Imbert díky její nízké a nedostačující účinnosti, a také díky produkci značného
mnoţství vody znečištěné organickými látkami.
[1] REED, Thomas B., DAS, Agua. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier System. Golden, Colorado : Solar
Energy Research Institute, 1988. 140 s. ISBN 1890607002.
[2] BEŇO, Zdeněk; SKOBLIA, Siarhei.:Souproudé zplyňovací generátory a jejich použití pro výrobu elektrické
energie z biomasy. In ENERGIE Z BIOMASY X. Brno, 2009. s. 15-20. ISBN 978-80-214-4027-2.
[3] Šulc J., Richter M., Svoboda K., Vacek J.: Obnovitelný zdroj energie – zplyňování biomasy s kogenerací.
Sborník mezinárodního symposia Odpadové fórum, Kouty nad Desnou 21.4. - 24.4.2010
[4] BEŇO, Zdeněk, SKOBLIA, Siarhei.: Renesance zplyňovacích generátorů typu Imbert v České republice. In
ENERGIE Z BIOMASY IX. Brno :2008. s. 28-35. ISBN 978 - 80 - 21..
[5] SKOBLIA, S. a kol: Vlastnosti plynu produkovaného souproudým generátorem, zpráva MPO FT-TA3/112,
VŠCHT Praha, říjen 2009.
[6] SKOBLIA, Siarhei.: Úprava složení plynu ze zplyňování biomasy. Praha, 2004. 154 s. Vysoká škola chemickotechnologická v Praze.
Autoři děkují MŠMT ČR za finanční prostředky poskytnuté v rámci výzkumného záměru MŠMT ČR
č. MSM6046137304. Část práce uvedená v dané publikaci byla provedena za podpory MPO, a to v rámci
projektu FT-TI1/219.
/ 34 /
Brno 2010
TĚŢKÉ KOVY V TUHÝCH SPALOVENSKÝCH ZBYTCÍCH
Jan Bogdálek
Příspěvek se zabývá transfery vybraných prvků, zvláště pak těžkých kovů, při spalování komunálního odpadu.
Příspěvek je založen na výsledcích rozborů zbytků po spalování ve Spalovně komunálního odpadu v Brně.
Uváděná data pochází z téhož provozu v roce 2009.
Klíčová slova: spalovny komunálních odpadů, těţké kovy, emise,
ÚVOD
V současné době je ve Spalovně Brno termicky vyuţíván směsný komunální (dále SKO) i vybraný průmyslový
odpad. Pro plánování a provoz závodu spalování odpadů je nutné znát látkové sloţení odpadů, zvláště pak pro
dimenzování metod čištění spalin. Dřívější průzkumy ukázaly, ţe přímá měření jsou nevhodná a přístroje pro
měření látkového mnoţství jsou příliš drahé. Jako výrazně efektivní a ekonomicky výhodnější se ukázaly nepřímé
analytické metody, například stanovení sloţení odpadu z produktů spalování. Produkty jsou po termickém
zpracování více homogenní a analyticky mnohem lépe zpracovatelné, neţ neupravený odpad. Pro kontinuální
stanovení chemického sloţení odpadu je tedy tato analýza výhodnější. Představa této práce je v jednoduchém a
nepříliš nákladném odebírání vzorků a měření produktů spalování v krátkých i dlouhých intervalech.
Proto se v současné době snaţíme o stanovení látkových toků u vybraných prvků, především těţkých kovů a
také prvků, které mají významný vliv na spalovací proces, tak abychom zpětně mohli určit obsah těchto prvků na
vstupu do spalovacího procesu. Vycházíme přitom z jednoduché úvahy o rovnosti hmotnosti prvků obsaţených
ve zbytcích po spalování a hmotnosti prvků vstupujících (vyuţití zákona o zachování hmoty).
SLEDOVANÉ PRVKY A ODBĚRNÁ MÍSTA
Sledovány byly tyto prvky: Antimon, Arsen, Hliník, Chrom, Kadmium, Kobalt, Mangan, Měď, Nikl, Olovo, Rtuť,
Thalium, Vanad, Zinek, Ţelezo
Důvody pro volbu těchto prvků spočívají jednak v jejich významu pro chemické reakce během spalování a také
v tom, ţe podle "podobnosti v jejich chování" můţeme posuzovat i další látky. Na druhé straně byly výše uvedené
prvky vybrány proto, ţe emise většiny z nich jsou předepsány různými vyhláškami a zákony a také proto, ţe je
jejich měření relativně snadné a spolehlivé. Například podle chování ţeleza během spalovacího procesu, které je
typickým prvkem litosféry, můţeme usuzovat na chování ostatních prvků litosféry, jako jsou kobalt, mangan nebo
chrom. Jako litofilní označujeme ty prvky, které mají velkou afinitu ke kyslíku a solím různých kyselin, které v
litosféře vznikají. Kadmium se zase při spalování chová charakteristicky pro atmofilní (prchavé) prvky, podobně
jako antimon, zinek nebo thalium. Některé z těchto prvků nejsou ve sledovaném období do statistik a rozborů
zahrnuty a budou sledovány aţ při předběţném a hlavním pokusu měření.
Na obrázku 1 je schematicky znázorněna Spalovna SAKO s vyznačením odběrných míst jednotlivých vzorků.
Škvára je odebírána ze škvárového bunkru. Popílek v potrubí za elektrofiltrem a end-produkt za textilními filtry,
moţný je i odběr přímo v silech end-produktu či popílku, kam jsou pneumaticky dopravovány. Soldifikát je směs
která vzniká smíšením popílku s end-produktem za přídavku cementu, vše v poměru zvoleném dle účelu vyuţití
soldifikátu. Linka soldifikace se nachází mimo objekt Spalovny Brno, sloţky jsou k lince převáţeny v suchém
stavu.
Ing. Bogdálek Jan, Vysoké učení technické v Brně, EÚ, Technická 2, 612 00, email: [email protected], ČEZ
ENERGOSERVIS spol. s.r.o.; Jaderná elektrárna Temelín, 373 05, email: [email protected]
/ 35 /
Brno 2010
Obr.1 Schéma spalovny Sako Brno s vyznačením míst odběrů vzorků
ZPRACOVÁNÍ VZORKŦ NA SMĚSNÝ VZOREK
Během provozu spalovny SAKO Brno jsou pravidelně odebírány vzorky tuhých zbytků po spalování, které jsou
potom podrobeny laboratorní analýze. V následujících tabulkách uváděné hodnoty jsou výsledkem analýz
směsných vzorků. Směsným vzorkem je myšlen takový vzorek zbytku po spalování, který vznikne smíšením více
odebraných vzorků, ze kterých je potom připravena dávka pro testy v laboratoři.
Vzorkování a příprava vzorků do analytické podoby se řídí normami platnými pro jednotlivé druhy materiálů.
Obecně platí, ţe vzorek se upraví postupným zmenšováním a kvartací aţ beze zbytku projde sítem o určité
hraně oka. V případě tuhých zbytků došlo k vytvoření vzorků pro daný časový úsek smícháním z patřičných
odebraných sáčků.
Tzv. sypný kuţel vznikl smícháním obsahu sáčků označených časem odběru střídavým způsobem. Jako první byl
vţdy nasypán sáček ze začátku příslušného intervalu, jako druhý sáček z konce, třetí sáček ze začátku, atd.
Takto vytvořený kuţel byl promíchán, zhomogenizován, za pomocí magnetu zbaven nespálených kusů ţeleza
(víčka lahví, smotky drátů…) a postupným zmenšováním upraven do podoby vzorku zpracovatelného laboratoří.
Vzorky byly před předáním laboratoři baleny do sáčků a označeny datem a časem odběru
Oproti původnímu plánu nebyly sledovány hmotnostní toky vstupujícího spalovaného odpadu a toky tuhých
zbytků… Tyto hodnoty byly stanoveny odhadem, dle roční bilance a zkušeností pracovníků spalovny SAKO na
úrovni:
Spalovaný odpad:
Škvára
Popílek
End-produkt
Spaliny
10 t / hod
2,30 t / hod
0,15 t / hod
0,26 t / hod
123 500 m3 / hod
PŘEHLED VÝSLEDKŦ A POROVNÁNÍ
Časový plán měřící skupiny byl rozvrţen do čtyř dnů, vţdy přibliţně od 8 do 16 hodin. Po konzultační schůzce
byly navrţeny kontinuální odběry v těchto čtyřech dnech, jednou za hodinu. V době, kdy měřící skupina měří TK
ve spalinách, potom odběry v intenzivnějším intervalu 15 minut. Odběry vzorků byly, pro další statistické
zpracování, rozděleny do poţadovaných oblasti vlastním smíšením hodinových vzorků. Tím vzniklo za kaţdý den
měření dostatečné mnoţství dat pro kaţdý tuhý zbytek produktu.
/ 36 /
Brno 2010
V následujících tabulkách a grafech je pak vţdy uvaţováno s hodnotou, která vznikla aritmetickým průměrem
hodnot, zjištěných v jednotlivých analyzovaných hodinových vzorcích.
Tab. 1 Průměrné hodnoty obsahů jednotlivých prvků v produktech spalování v mg/kg
Průměrné hodnoty v mg / kg
Antimon
Arsen
Hliník
Chrom
Kadmium
Kobalt
Mangan
Měď
Nikl
Olovo
Rtuť
Thalium
Vanad
Zinek
Ţelezo
škvára
47,72
6,18
35768
135,6
11,38
13
722,6
4152
76,66
1938,6
0,568
2,57
38,96
6442,4
25804
popílek
226,2
16,34
47662
162
159,6
23,5
928
529,6
55,52
1423,2
1,078
5,22
31,36
10496,6
14958
end. pr.
45,92
6,56
4258
6,036
32,814
0,78
15,32
684,2
50,6
314,2
19,908
1,7136
69,44
1248
1512
odp.voda
0,0142
0,0008
0,584
0,216
0,00024
0,0016
0,004
0,11
0,005
0,0252
0,0001
0,004
0,0016
0,0228
0,008
spaliny
0,000126
0,0005601
0,048426
0,001182
0,0000798
0,0000478
0,011732
0,006654
0,0018221
0,003342
0,0182544
0,0000051
0,000574
0,0289004
0,050919
Tab. 2 Průměrné hodnoty obsahů jednotlivých prvků v produktech spalování hmot.%
Průměrné hodnoty v hmot. %
škvára popílek end
odp.voda
Antimon
15,05
70,79
14,15
0
Arsen
22,69
59,44
17,85
0,003
Hliník
40,72
54,4
4,87
0
Chrom
44,78
53,14
2
0,07
Kadmium
5,39
78,27
16,33
0
Kobalt
35,92
61,83
2,24
0,004
Mangan
43,43
55,66
0,91
0
Měď
74,72
11,14
14,12
0,002
Nikl
41,57
31,14
27,29
0,002
Olovo
50,39
40,48
9,13
0,001
Rtuť
2,24
5,01
92,66
0,001
Thalium
25,39
58,58
15,99
0,049
Vanad
30,65
23,5
45,85
0,001
Zinek
35,05
58,07
6,89
0
Ţelezo
61,35
34,95
3,7
0
/ 37 /
spaliny
0
0,002
0
0
0
0
0
0
0,001
0
0,089
0
0
0
0
Brno 2010
Obr.2 Grafické vyjádření transferu jednotlivých prvků do produktů spalování v hmot.%
Naměřené hodnoty odpovídají původní představě o sloţení tuhých zbytků, rozdělení jednotlivých kovů do
zbytků je podobné jako v předešlých měřeních ve spalovně SAKO a řádově odpovídá i jiným měřením
prováděným při spalování komunálního odpadu. Odpadní vodu jako takovou v úvahách zanedbáváme pro
minimální vznikající mnoţství.
Pokud bereme v úvahu odhadovanou bilanci vzniku jednotlivých produktů, dostaneme hodinovou emisi
jednotlivých těţkých kovů do všech produktů spalování.
Tab.3 Hodinové emise jednotlivých sledovaných prvků
škvára
popílek
end-prod
kg / hod
spaliny
suma
Antimon
0,1098
0,03393
0,01194
0,00052
0,156141
Arsen
0,0145
0,00259
0,00169
0,00018
0,018992
Hliník
82,2664
7,1493
1,10708
0,00103
90,52381
Chrom
0,3119
0,0243
0,00157
0,00181
0,33956
Kadmium
0,0262
0,02394
0,00853
8E-07
0,058646
Kobalt
0,0299
0,00353
0,00021
0,00028
0,033912
Mangan
1,662
0,1392
0,00398
0,0001
1,805264
Měď
9,5496
0,07944
0,17789
1,2E-05
9,806944
Nikl
0,1763
0,00833
0,01316
7,4E-06
0,197809
Olovo
4,4588
0,21348
0,08169
8,9E-05
4,754041
Rtuť
0,0013
0,00016
0,00518
2E-05
0,006664
Thalium
0,0059
0,00078
0,00045
0,00282
0,009958
Vanad
0,0896
0,0047
0,01805
0,00446
0,116828
Zinek
14,8175
1,57449
0,32448
0,00748
16,72397
Ţelezo
59,3492
2,2437
0,39312
0,00786
61,99388
/ 38 /
Brno 2010
Obr.3: Grafické vyjádření vypočtených hodinových emisí jednotlivých sledovaných prvků
ZÁVĚR
Zvolená strategie odběrů, jejich místa a pozdější zpracování se ukázaly jako proveditelné a lze je tedy vyuţít i při
dalších měřeních v budoucnu. Přitom ale bude nutné sledovat i ostatní důleţité ukazatele, jako mnoţství
spáleného odpadu, vzniklá mnoţství jednotlivých tuhých zbytků, spotřebu jednotlivých činidel, atd…
Při porovnání jednotlivých analyzovaných časových vzorcích mezi sebou vidíme, ţe hodnoty obsahů jednotlivých
kovů ve všech skupinách tuhých zbytků po spalování odpadů jsou ze statistického hlediska prakticky rovnocenné.
Obdobné výsledky lze vysledovat i v předchozích kontrolních měřeních prováděných na spalovně SAKO
v minulých letech (viz např. stránky www.sako.cz).
A nastane nám otázka jak častou frekvenci odběru vzorků, v závislosti na jejich zpracování, tedy vlastně zvolit?
Pro zákonem stanovené kontrolní měření (dvě ročně) a následnou návaznost vzorků tuhých zbytků na měření
obsahu kovů ve spalinách se systém dvouhodinového vzorku s odběry po patnácti minutách ukazuje jako
dostatečným řešením. A to jak z hlediska mnoţství odebraných zbytků, tak z hlediska proveditelnosti odběrů.
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vzniknul v rámci projektu MPO: č. FT – TA5 / 001 Výzkum a vývoj transferu těţkých kovů
z komunálních odpadů, ve spolupráci se Spalovnou SAKO Brno
1
2
3
4
5
Schachermayer E, Bauer G, Ritter E, Brunner P.; Messung der Güter – und Stoffbilanz einer
Müllverbrennungsanlage; Umweltbundesamt; Wien 1995.
Nařízení vlády ČR kterým se stanoví emisní limity a další podmínky pro spalování odpadů, Sbírka zákonů –
nařízení č. 354 / 2002 Sb.
Karásek R.; Diplomová práce; Brno, VUT v Brně 2003
URL: www.sako.cz
Bogdálek J.;Těţké kovy ve zbytcích po spalování odpadů; sborník Energie z biomasy XIII, Ostrava 2008;
str. 6 – 10; ISBN 978 – 80 – 248 – 1829 – 0
/ 39 /
Brno 2010
/ 40 /
Brno 2010
VYUŢITÍ DRUHOTNÝCH SUROVIN PRO SORPCI HCL
K.Bradáčová, P.Machač, P.Balíček, P.Pekárek
Tento článek se věnuje adsorpci chlorovodíku na pevných materiálech v redukčním a v oxidačním prostředí.
Redukční prostředí představuje plyn ze zplynění biomasy a oxidační prostředí reprezentuje spaliny, které vznikly
spálením plastového odpadu. Vybrané sorbenty byly na bázi popela – popílek z teplárny spalující dřevní štěpku a
popílek ze spalovny komunálního odpadu – v obou případech můžeme materiály označit jako druhotnou
surovinu.
Klíčová slova: druhotná surovina, adsorpce, chlorovodík
ÚVOD
Nároky na pouţívané sorbenty se stále zvyšují a jedním z hlavních kritérií je cena sorbentu, která ovlivňuje
ekonomiku celého procesu. Mezi nejlevnější sorbenty v oblasti sorbce chlorovodíku patří přírodní vápenaté
materiály (dolomit), jehoţ cena se pohybuje v desítkách eur za tunu. Při hledání dalších moţností jsme se
zaměřili na vyuţití tzv. druhotných surovin, kde je předpokládat, ţe by výsledná cena mohla být ještě niţší.
Druhotná surovina je definovaná normou ČSN 83 8001 jako surovina nebo materiál získaný z odpadu, který je
způsobilý k dalšímu hospodářskému nebo jinému vyuţití, který přitom zůstává odpadem aţ do dalšího
zpracování.
Naše skupina se zabývá adsorpcí chlorovodíku v redukčním a oxidačním prostředí. V případě adsorpce
v redukčním prostředí se jedná o čištění plynu, který vznikl zplyněním biomasy. Sloţení tohoto plynu je
následující – CO (18,9 % obj.), CO2 (16,5 % obj.), H2 (16,2 % obj.), H2O (13 % obj.), CH4 (4,66 % obj.), C2H4
(1,49 % obj.), H2S (200 ppm), HCl (150 ppm) a zbytek N2. Vyčištěný plyn by měl mít koncentrace chlorovodíku a
sulfanu niţší jak 1ppm, protoţe bude vyuţíván jako palivo do vysokoteplotního palivového článku a vyšší
koncentrace těchto neţádoucích sloţek by jej mohlo poškodit. Čistící proces by měl probíhat za vysoké teploty,
aby se zabránilo tepelným ztrátám při chlazení plynu na teplotu čištění a opětovném ohřívání vyčištěného plynu
na pracovní teplotu palivového článku.
Adsorpce chlorovodíku v oxidačním prostředí se zabývá čištěním spalin ze spalování plastového odpadu, které
obsahují nadlimitní koncentraci chlorovodíku. Pro naše měření jsme prozatím pouţili spaliny ze spalování
sirnatého uhlí o následujícím sloţení - CO2 (13 % obj.), O2 (7 % obj.), H2O (13 % obj.), SO2 (3000 ppm), HCl (150
ppm) a zbytek N2. Výstupní koncentrace chlorovodíku byla zvolena 5 ppm. Pro čištění plynu v oxidační prostředí
je na rozdíl od redukčního prostředí lepší niţší teplota adsorpce, protoţe čistící zařízení je umístěné za tepelným
výměníkem, kde se teplota spalin pohybuje kolem 200°C.
POUŢITÉ SORBENTY
Pro naše měření byl pouţit komerčně vyráběný sorbent SC 1T (směs ZnO a CuO na alumině). Tento sorbent
jsme pouţili z důvodu porovnání sorpční kapacity s ostatními sorbenty, které byly vyrobené z různých druhů
popílků. Sorbent Phoenix (popel ze spalování dřeva z lokálního topeniště) byl vyvinut na VŠCHT Praha a jeho
výsledky daly podnět k dalšímu výzkumu v této oblasti. Pro přípravu dalších sorbentů jsme pouţili popílek
z brněnské teplárny Bystrc a z liberecké spalovny komunálního odpadu Termizo.
Teplárna Bystrc se skládá ze 4 plynových kotlů o celkovém výkonu 18,6 MWt a 2 kotlů na biomasu o výkonu 1,1
MWt a 1,5 MWt. Kotle na biomasu spalují zbytky dřeva z lesní těţby a piliny ze zpracování dřeva (dodávají Lesy
města Brna, a.s.). Z popílku jsme připravili dva druhy sorbentu. První vznikl smícháním popílku s grafitem (obsah
grafitu 5 %) a poté byl tabletován na tabletky o rozměru 5 x 5 mm. Druhý sorbent byl připraven hydrotermální
reakcí popílku a vody v hmotnostním poměru 1:1. Reakce probíhala za teploty 95 °C po dobu 20 hodin. Poté byly
krychličky promyty destilovanou vodou, sušeny v sušárně a nakonec kalcinovány v muflové peci jednu hodinu při
teplotě 800°C.
Ing. Kateřina Bradáčová, VŠCHT, ÚPKOO, Technická 5, Praha 6, [email protected]
/ 41 /
Brno 2010
Termizo a.s. se zabývá spalováním komunálního odpadu v libereckém kraji. Kapacita této spalovny je 96 000 tun
odpadu ročně a to odpovídá polovině vyprodukovaného odpadu v libereckém kraji. Z liberecké spalovny jsme
získaly dva druhy popílku. První vzorek (Termizo I.) je popílek odebíraný za elektroodlučovači a druhý vzorek
(Termizo II.) je popílek zbavený rozpustných solí a extrahovatelných těţkých kovů.
U všech čtyř vzorků popílku byla provedena rentgenová fluorescence, která je znázorněna v následující tabulce.
Je znatelné, ţe sloţení velice aktivního sorbentu Phoenix s ostatními je rozdílné. Sorbent Phoenix obsahuje
převáţně CaO a K2O. Tyto sloţky jsou zastoupeny méně u ostatních sorbentů a to hlavně v případě K2O, který
se u sorbentů z Brna i Liberce pohybuje v jednotkách procent. Na druhou stranu obsah SiO 2 je v případě
sorbentu Phoenix velice nízký a u ostatních sorbentů je minimálně desetkrát vyšší a u sorbentu Bystrc se jedná o
jeho majoritní sloţku. Různorodost sloţení popílku z Brna oproti sorbentu Phoenix je překvapující, protoţe toto
sloţení by si mělo být velmi podobné. Tato rozdílnost můţe být způsobena prostředím, kde spalovaná biomasa
rostla a také různými nečistotami, které se dostaly do spalovaných pilin při zpracování dřeva.
Tab. 1 Rentgenová fluorescence pro jednotlivé popílky
SiO2
CaO
Al2O3
K2O
Fe2O3
MgO
P2O5
MnO
SO3
Na2O
TiO2
Cl
ZnO
Phoenix
Bystrc
1,3
48,28
0,98
37,19
0,73
3,64
0,67
5,25
0,64
0,16
0,19
0,21
45,79
20,28
10,19
6,98
5,12
2,52
2,10
2,07
1,87
1,46
0,84
0,26
0,11
Termizo I. Termizo II.
13,18
21,69
7,69
7,48
3,29
2,52
1,02
0,26
13,54
11,11
1,42
10,07
5,1
19,14
26,13
12,29
1,66
5,08
1,92
1,23
0,3
25,37
1,33
1,86
0,39
1,55
APARATURA
Měření probíhala na laboratorní aparatuře, která je znázorněna na obrázku 1. Základem aparatury je křemenný
reaktor uloţený v peci s regulovatelným třípásmovým topným systémem. Na loţe reaktoru je umístěna vrstva
testovaného sorbentu. Přes sorbent prochází plynná směs, která vznikne smícháním směsi plynů z tlakové láhve
(1) a vodného roztoku kyseliny chlorovodíkové, který se po vstupu do reaktoru vypaří a tím vznikne plynná směs
reprezentující spaliny po spálení plastového odpadu. Plynná směs, prošlá přes adsorbent, vychází hlavou
reaktoru a pokračuje do chladiče (7), kde je ochlazena na teplotu, při které dochází ke kondenzaci kyselin
(přibliţně 40°C). Teplota kondenzace je udrţována pomocí termostatu zapojeného k chladiči. Pro zlepšení
odvodu kondenzátu do odběrového zařízení pro kapalinovou chromatografii se aplikuje proplach destilovanou
vodou, která se vstřikuje v místě mezi reaktorem a chladičem.
/ 42 /
Brno 2010
1 - směs plynů
a) Plyn za zplynění biomasy
b) Spaliny ze spalování plastového
odpadu
2 - dusík
3 - lineární pumpa
4 - termočlánek
5 - rotametr
6 - reaktor
7 - chladič napojený na termostat
8 - odběr vzorků pro LC
Obr. 1
Schéma testovací aparatury
VÝSLEDKY
Sorpční kapacita testovaných sorbentů je znázorněna na následujících grafech pomocí průnikových křivek.
Sorbent SC 1T vykazoval rostoucí sorpční kapacitu s klesající teplotou jak v redukčním tak v oxidačním prostředí
a nejlepších výsledků dosahoval při teplotě 300°C (red.) respektive 200°C (ox.).
Průnikové křivky sorbentu SC 1T při různých teplotách
měření pro HCl
Výstupní koncentrace HCl
[ppm]
[ppm]
Průnikové křivky sorbentu SC 1T při různých
teplotách pro HCl
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10,0
2
SC 1T, 300°C
Obr. 2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Kapacita sorbentu [g/kg]
SC 1T, 400°C
SC 1T 200°C
SC 1T 300°C
SC 1T 400°C
Průnikové křivky sorbentu SC 1T v redukčním (graf vlevo) a oxidačním (graf vpravo) prostředí
Obsah ZnO v tomto sorbentu znemoţnil měření při vyšších teplotách, protoţe při teplotě nad 450°C dochází
k redukci ZnO na elementární zinek, který následně ucpává laboratorní aparaturu. Z těchto důvodu je tento
sorbent vhodný převáţně pro sorpci HCl v oxidačním prostředí, protoţe splňuje podmínku v poţadované teplotě
a jeho sorpční kapacita je vysoká.
Výsledky grafického znázornění jsou shrnuty v tabulce číslo 2., ze které je patrné, ţe při teplotě 200°C
v oxidačním prostředí je sorpční kapacita nejvyšší vzhledem k určeným podmínkám pro dané vyuţití vyčištěných
spalin respektive plynu.
/ 43 /
Brno 2010
Tab. 2 Sorpční kapacita komerčně vyráběného sorbentu SC 1T
Prostředí
Vzorek
Naváţka
Tpokusu [°C]
Red.
Red.
Ox.
Ox.
Ox.
SC 1T
SC 1T
SC 1T
SC 1T
SC 1T
17,8 g, 2 cm
17,8 g, 2 cm
15,43 g, 3 cm
15,32 g, 3 cm
15,35 g, 3 cm
300
400
200
300
400
Kapacita HCl
do průniku [g/kg]
do konce [g/kg]
5,63
4,18
9,74
2,34
0,62
8,28
7,37
24,50
4,31
2,41
Jako další byl testován sorbent Phoenix jehoţ sorpční kapacita byla mnohem vyšší neţ v případě komerčně
vyrobeného sorbentu SC 1T. Tento sorbent vykazoval výborné výsledky jak v redukčním tak v oxidačním
prostředí. V redukčním prostředí měl nejvyšší kapacitu při teplotě 400 a 600°C, přičemţ 600°C je jiţ přijatelná
teplota pro vyuţití u čištění plynu pro palivový článek. V oxidačním prostředí byly provedeny pouze dva
experimenty z důvodu malého mnoţství testovaného materiálu a mnohem lepší sorpční kapacitu měl Phoenix při
vyšší teplotě měření při 300°C, protoţe při teplotě 200°C nejspíše docházelo k přednostní sorpci vody.
Průnikové křivky sorbentu Phoenix při různých
teplotách měření pro HCl
Výstupní koncentrace
HCl [ppm]
[mg/m 3]
Průnikové křivky sorbentu Phoenix
při různých teplotách pro HCl
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
20
15
10
5
0
0
2
4
6
Phoenix 300 °C
Obr. 3
Phoenix 400 °C
Phoenix 500 °C
8
10
12
14
16
18
20
Phoenix 600 °C
Phoenix 700 °C
Phoenix 200°C
Phoenix 300°C
Průnikové křivky sorbentu Phoenix v redukčním (graf vlevo) a oxidačním (graf vpravo) prostředí
Sorpční kapacita sorbentu Phoenix je opět shrnuta v následující tabulce (Tab.3.).
Tab. 3 Sorpční kapacita sorbentu Phoenix
Prostředí
Vzorek
Naváţka
Tpokusu [°C]
Kapacita HCl
do průniku [g/kg]
do konce [g/kg]
Red.
Red.
Red.
Red.
Ox.
Ox.
Phoenix
Phoenix
Phoenix
Phoenix
Phoenix
Phoenix
15,2 g, 3 cm
15,4 g, 3 cm
15 g, 3 cm
15,6 g, 3 cm
15,2 g, 3 cm
15,3 g, 3 cm
300
400
500
600
200
300
5,78
25,77
10,83
22,42
3,12
11,58
19,60
33,63
18,92
36,58
7,72
17,78
Sorbent Bystrc a Bystrc – krychličky byl prozatím proměřen pouze v redukčním prostředí. V obou případech je
patrné, ţe sorpční kapacita v porovnání se sorbentem Phoenix je výrazně niţší, jak jsme očekávali vzhledem
k výsledkům z rentgenové fluorescence. Sorbent Bystrc navíc vykazoval špatné mechanické vlastnosti.
/ 44 /
Brno 2010
[ppm]
Průnikové křivky sorbentu Bystrc při různých teplotách měření pro HCl
14
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Bystrc, 300 °C
Bystrc, 400 °C
Bystrc, 500 °C
Obr. 4 Průnikové křivky sorbentu Bystrc v redukčním prostředí
HCl [ppm]
Průnikové křivky sorbentu Bystrc - krychličky
při různých teplotách měření pro HCl
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
Krychličky, 300 °C
Obr. 5 Průnikové křivky sorbentu Bystrc - krychličky v redukčním prostředí
Nejvyšší sorpční kapacita sorbentů vyrobených z popílku z teplárny Bystrc byla shodně při 300°C a mnoţství
zachyceného chlorovodíku bylo velmi podobné. Sorbent Bystrc - krychličky byl proměřen v intervalu 300 aţ
700°C a při teplotě 500°C dosahovala jeho sorpční kapacita zajímavých hodnot. Výsledky grafického znázornění
jsou popsány v následující tabulce (Tab.4.). Sorbent Bystrc – krychličky vykazoval ve vyšších teplotách měření
vyšší sorpční kapacitu neţ sorbent Bystrc, který jiţ při teplotě 500°C nedokázal splnit velmi striktní limit 1 ppm
HCl na výstupu.
/ 45 /
Brno 2010
Tab. 4 Sorpční kapacita sorbentu Bystrc a Bystrc - krychličky
Prostředí
Vzorek
Naváţka
Tpokusu [°C]
Red.
Red.
Red.
Red.
Red.
Red.
Red.
Red.
Bystrc
Bystrc
Bystrc
Krychličky
Krychličky
Krychličky
Krychličky
Krychličky
15 g, 3 cm
15 g, 3 cm
15 g, 3 cm
15 g, 3 cm
15 g, 3 cm
15 g, 3 cm
15 g, 3 cm
15 g, 3 cm
300
400
500
300
400
500
600
700
Kapacita pro HCl
do průniku [g/kg]
do konce [g/kg]
4,40
1,44
0,00
4,49
0,75
2,99
2,21
0,72
8,91
5,92
3,79
8,70
5,44
5,73
5,50
3,04
ZÁVĚR A CÍLE
Pozitivní výsledky při adsorpci chlorovodíku na popelu ze spalování dřeva (Phoenix) v redukčním i oxidačním
prostředí byly podnětem k dalšímu výzkumu v této oblasti. Pro naše měření jsme získali vzorky z teplárny Bystrc
Brno a spalovny komunálního odpadu Termizo a.s. Naším cílem bylo ověřit jestli lze vyuţít pro záchyt
chlorovodíku popílek z těchto velkých zdrojů. Prozatím byly provedeny experimenty pouze s popílkem z brněnské
teplárny a to v redukčním prostředí. Nejlepší výsledky v redukčním prostředí vykazuje stále sorbent Phoenix,
variace na tento sorbent z popílku z Brna nejsou tak účinné (nejlepší sorpční vlastnosti mají krychličky).
Naším cílem je otestovat také sorbenty z liberecké spalovny v redukčním prostředí a v oxidačním prostředí
provést měření se všemi druhy sorbentů, které byly vyrobeny z popílku teplárny Bystrc a Termizo a.s.
[1] Machač P., Koza V., Chalupa P., Píša J.: Vysokoteplotní sorpce H2S, COS, HCl a HF z energetického plynu,
Projekt GFC - Šestý rámcový program
[2] Bin-lin G., Jin-sheng L., Sha X.: Reaction kinetice of sorbent for chloride removal with HCl in a hightemperature coal gas, 2005
[3] Balíček P.: Měření sorpčních vlastností dřevěného popela, diplomová práce, 2010
[4] Bradáčová K.: Vývoj materiálů pro vysokoteplotní sorpci H2S, HCl a HF, diplomová práce, 2008
/ 46 /
Brno 2010
ODSTRAŇOVÁNÍ CHLOROVODÍKU ZE SPALIN PŘI ENERGETICKÉM ZPRACOVÁNÍ PLASTŦ
Kateřina Bradáčová, Pavel Machač,Helena Parschová, Petr Pekárek, Václav Koza
Tento článek se zabývá čištěním spalin při energetickém zpracování odpadních plastů. Konkrétně se věnuje
adsorpci chlorovodíku na pevných sorbentech, při teplotě 200 – 500°C. Pro měření byly použity vápenaté a
komerčně vyráběné sorbenty a také sorbent z dřevěného popela, který byl vyvinut na Vysoké škole chemickotechnologické v Praze.
Klíčová slova: kyselina chlorovodíková
ÚVOD
Mnoţství vyráběných plastů se kaţdým rokem zvyšuje (odhadovaná roční spotřeba plastů v Evropské unii v roce
2006 byla 49,5 mil. tun) a to má za následek i nárůst odpadních plastů v odpadovém hospodářství. Plastový
odpad můţeme dělit na průmyslový a technologický, které se vrací zpět do výroby a na komunální plastový
odpad, který se musí odstranit nebo vyuţít jiným způsobem. V současné době se více neţ polovina komunálního
odpadního plastu odváţí na skládky a zbylá část se recykluje nebo energeticky zpracovává.
Energetické vyuţití plastového odpadu můţeme řadit mezi moţnosti náhrady fosilních paliv. Toto zpracování
odpadních plastů představuje mnoho výhod. Za prvé se spálením podstatně sníţí objem odpadu aţ o 95 %. Za
druhé se vyuţije vysoce výhřevná směs pro výrobu tepla a elektrické energie. (obr. 1.) Za třetí se ušetří
neobnovitelné zdroje a ţivotní prostředí. Nevýhodou je vznik škodlivých emisí – dioxiny, PCB a chlorovodík.
Obr. 1 Porovnání spalného tepla jednotlivých druhů plastů v komunálním odpadu se spalným teplem černého uhlí
a lehkým topným olejem
PLASTOVÝ ODPAD
Třídění odpadu je v Evropské unii na vysoké úrovni a třídění plastového odpadu není výjimkou.Tzv. ţluté
popelnice nacházíme na kaţdém kroku, i kdyţ jejich obsah zcela neodpovídá tomu sloţení, které by v těchto
nádobách mělo být. Základem je polyethylentereftalát (nápojové láhve), polyethylen (nákupní tašky a obaly od
jídla), polypropylen (jogurtové kelímky, ubrusy), polystyren (nádoby na jídlo, kelímky na horké nápoje, izolační
materiál) a bohuţel i polyvinylchlorid, které do ţlutých popelnic nepatří. Právě PVC je hlavní příčinou vzniku
emisí.
Ing. Kateřina Bradáčová, VŠCHT, ÚPKOO, Technická 5, Praha 6, [email protected]
/ 47 /
Brno 2010
Spaliny vzniklé energetickým zpracováním plastového odpadu se skládají především z CO2, CO, H2O, NOx a sazí
a z jiţ zmiňovaných dioxinů, PCB a chlorovodíku.
VLASTNOSTI A VOLBA SORBETŦ
Tato práce se zabývá sorpcí HCl na vhodných sorbentech ze spalin. Z toho vyplývá, ţe volba testovaného
materiálu bude především záviset na jeho afinitě k HCl. Většinou se nejedná o čistou chemisorpci a z tohoto
důvodu je také záchyt neţádoucích sloţek ovlivněn pórovitostí materiálu. Další vlastností, na které závisí vyuţití
sorbentu je mechanická odolnost. Nemělo by docházet k jeho rozpadu, protoţe malé částečky by mohly zanést
fritu ve zkušební aparatuře a tím zamezit průchodu plynné směsi. V neposlední řadě je volba daného materiálu
ovlivněna i jeho cenou, která se pohybuje u přírodních materiálů (dolomit, vápenec) okolo 40 euro za tunu a
u komerčně vyráběných katalyzátorů řádově v desítkách euro za kilogram, coţ má zásadní vliv na ekonomiku
celého provozu.
APARATURA
Měření probíhala na laboratorní aparatuře, která je znázorněna na obrázku 2. Základem aparatury je křemenný
reaktor uloţený v peci s regulovatelným třípásmovým topným systémem. Na loţe reaktoru se umísťuje vrstva
testovaného sorbentu. Přes sorbent prochází plynná směs, která vznikne smícháním směsi plynů z tlakové láhve
(1) a vodného roztoku kyseliny chlorovodíkové, který se po vstupu do reaktoru vypaří a tím vznikne plynná směs
reprezentující spaliny po spálení plastového odpadu. Plynná směs, prošlá přes adsorbent, vychází hlavou
reaktoru a pokračuje do chladiče (7), kde je ochlazena na teplotu, při které dochází ke kondenzaci kyselin
(přibliţně 40°C). Teplota kondenzace je udrţována pomocí termostatu zapojeného k chladiči. Pro zlepšení
odvodu kondenzátu do odběrového zařízení pro kapalinovou chromatografii se aplikuje proplach destilovanou
vodou, která se vstřikuje v místě mezi reaktorem a chladičem.
1 - směs plynů
2 - dusík
3 - lineární pumpa
4 - termočlánek
5 - rotametr
6 - reaktor
7 - chladič napojený na termostat
8 - odběr vzorků pro LC
Obr. 2 Schéma testovací aparatury
VÝSLEDKY
Zvolené sorbety byly vybrány podle výsledků měření v dusíkové atmosféře.
Testovali jsme sorbenty na bázi CaO, komerčně vyráběný sorbent SC 1T a sorbent s pracovním názvem Phoenix
(na bázi popela ze spalování dřeva). Jednalo se o válečky o rozměrech 5 x 5 mm (SC 1T 5,2 x 3,2 mm). Měření
/ 48 /
Brno 2010
byla prováděna v oxidační atmosféře, kdy prozatím byly pouţity modelové spaliny pro uhlí s vysokým podílem
síry. (CO2 13 %, O2 7 %, H2O 13%, SO2 3000 ppm, HCl 150 ppm a zbytek tvořil dusík). Jako limitní koncentrace
HCl byla zvolena hodnota 5 ppm.
CS - CaO (94,5 %) a stearan vápenatý (5,5 %)
Pro tvorbu válečků u tohoto sorbentu byl pouţit stearan, který se vyznačuje nízkou tepelnou stabilitou a při
teplotách vyšších neţ 350°C docházelo k uvolňování stearanu, který ucpával aparaturu. Z tohoto důvodu se
válečky ţíhaly v peci při teplotě 500°C po dobu tří hodin, dokud docházelo k hmotnostnímu úbytku (odstranění
stearanu). Tato úprava zvýšila mechanickou pevnost sorbentu a zlepšila sorpční kapacitu válečků, protoţe se
v důsledku odstranění stearanu zvýšil také celkový objem pórů.
S klesající teplotou se sorpční kapacita válečků zvyšovala jak při měření v dusíkové tak v oxidační atmosféře. Pro
měření v oxidační atmosféře byla testována i teplota 200°C, kdy došlo ke změně stávajícího trendu a sorpční
kapacita se viditelně sníţila, nejspíše z důvodu přednostního záchytu vodní páry (Obr.3).
Tab. 1 Výsledky měření CaO – Stearan v oxidačním prostředí
Vzorek
Naváţka
CS
CS
CS
CS
15,41 g, 3 cm
16,12 g, 3 cm
15,38 g, 3 cm
15,69 g, 3 cm
Tkalcinace
°C
N
N
N
N
Tpokusu
°C
500
400
300
200
Kapacita HCl
do průniku
do konce
g/kg
g/kg
0,70
2,88
1,35
4,82
19,69
21,00
0,76
6,12
U sorbentu CS byla také měřena mechanická pevnost, která se překvapivě s rostoucí teplotou měření zvyšovala.
Při měření při teplotě 300°C a 200°C nemohla být změřena pevnost sorbentu, protoţe z větší části došlo k jeho
rozpadu na malé části. Tento rozpad válečků je ovlivněn obsahem vody v plynné směsi, kdy při teplotě pod
380°C dochází k objemové dilataci CaO a to má za následek rozpad válečků.
Tab. 2 Mechanická pevnost CaO – Stearan (před měřením, po úpravě a po měření)
Vzorek
CS
CS
CS
CS
CS
CS
Pevnost [N]
průměr
stat.průměr
258,6
259,6
112,4
108,4
113,2
106,2
49,2
48,1
Teplota [°C]
500
400
300
200
upravený
-
/ 49 /
Brno 2010
HCl [ppm]
Průnikové křivky sorbentu Phoenix při různých teplotách
měření pro HCl
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Phoenix 200°C
Phoenix 300°C
Obr. 3 Grafické znázornění průnikových křivek pro sorbent CS
SC 1T – ZnO (46 %), CuO (33 %) a Al2O3 (21 %)
Jako další byly testovány komerční sorbenty na bázi oxidů zinku a mědi na alumině. Podle zkušeností z
předchozích měření (program GFC) byla vynechána teplota 500°C, protoţe při teplotách nad 500°C dochází
k redukci ZnO na elementární zinek, který můţe následně ucpávat laboratorní aparaturu.
Z výsledků v tabulce č.III. je patrné, ţe s klesající teplotou se sorpční kapacita testovaného sorbentu zvyšuje a při
teplotě 200°C vykazoval nejlepší výsledky (Obr.4.).
Tab. 3 Výsledky měření sorbentu SC 1T v oxidačním prostředí
Kapacita HCl
Vzorek
Naváţka
SC 1T
SC 1T
SC 1T
15,35 g, 3 cm
15,32 g, 3 cm
15,43 g, 3 cm
Tkalcinace
°C
N
N
N
Tpokusu
°C
400
300
200
do průniku
g/kg
0,62
2,34
9,74
do konce
g/kg
2,41
4,31
24,50
Zkouška pevnosti byla provedena před měřením a po všech pokusech a jejich výsledky v porovnání s ostatními
testovanými sorbenty byly viditelně lepší. Při teplotách 300°C a 200°C dosáhla velmi dobrých výsledků.
Tab. 4 Mechanická pevnost sorbentu SC 1T (před měřením a po měření)
Pevnost [N]
Vzorek
SC 1T
SC 1T
SC 1T
SC 1T
Teplota [°C]
400
300
200
-
/ 50 /
průměr
85,2
212,7
200
152,1
stat.průměr
75,1
190,1
179,9
149,6
Brno 2010
Výstupní koncentrace HCl [ppm]
Průnikové křivky sorbentu SC 1T při různých teplotách měření
pro HCl
32
28
24
20
16
12
8
4
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
SC 1T 200°C
SC 1T 300°C
SC 1T 400°C
Obr. 4 Grafické znázornění průnikových křivek pro sorbent SC 1T
Phoenix – K2O (48,5 %), CaO (36,5 %), MnO2 (4,5 %), MgO (3,3 %), Al2O3 (2 %), SiO2 (1,5 %), Fe2O3 (0,7 %) a
grafit (3 %)
Sorbent Phoenix byl vyvinut na půdě VŠCHT Praha a jedná se o popel ze spalování dřeva. Jako pojivo byl pouţit
grafit, který se vyznačuje vysokou tepelnou stabilitou pohybující se kolem 800°C. Mezi jednu z výhod tohoto
sorbentu patří jeho nízká cena, protoţe se jedná o popel, coţ je materiál, který v současné době nemá vyuţití a
muţeme jej řadit mezi odpad.
Tab. 5 Výsledky měření sorbentu Phoenix v oxidačním prostředí
Kapacita HCl
Vzorek
Naváţka
Phoenix
Phoenix
15,34 g, 3 cm
15,16 g, 3 cm
Tkalcinace
°C
N
N
Tpokusu
°C
300
200
do průniku
g/kg
11,58
3,12
do konce
g/kg
17,78
7,72
Sorpční kapacita Phoenixu byla testována prozatím jen pro teploty 300°C a 200°C. Ze získaných výsledků je
patrné, ţe při vyšší teplotě je sorpční kapacita vyšší a pevnost tohoto sorbentu je dvojnásobná oproti měření při
teplotě 200°C a v obou případech měření byla mechanická pevnost mnohonásobně vyšší neţ před měřením.
Tab. 6 Mechanická pevnost sorbentu Phoenix (po měření)
Pevnost [N]
Vzorek
Phoenix
Phoenix
Phoenix
Teplota [°C]
300
200
-
/ 51 /
průměr
83,9
49,5
6,8
stat.průměr
81,1
46,4
6,5
Brno 2010
Výstupní koncentrace HCl [ppm]
Průnikové křivky sorbentu Phoenix při různých teplotách měření
pro HCl
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Obr. 5 Grafické znázornění průnikových křivek pro sorbent Phoenix
Phoenix 200°C
ZÁVĚR A CÍLE
Phoenix 300°C
Sorpční kapacita a pevnost sorbentu byla měřena u třech typů materiálů (vápenatý sorbent CS, komerčně
vyráběný sorbent SC 1T a sorbent Phoenix). V případě sorbentu CS se s klesající teplotou sorpční kapacita
zvyšovala aţ při teplotě 200°C došlo k změně, kdy se sorpční kapacita sníţila z důvodu přednostní sorpce vodní
páry. Pevnost tohoto sorbentu se sniţovala s klesající teplotou a při 300°C a 200°C došlo k rozpadu válečků, coţ
zamezilo provedení této zkoušky. U sorbentu SC 1T se sorpční kapacita s klesající teplotou zvyšovala a
nejlepších výsledků dosáhla při nejniţší testované teplotě. Pevnost tohoto materiálu byla v porovnání s ostatními
sorbenty při nízkých teplotách měření velmi uspokojivá. Jako poslední byl zvolen sorbent Phoenix. Sorpční
kapacita i mechanická pevnost při teplotě 300°C byla v porovnání s ostatními konkurence schopná a mezi jeho
výhody patří, ţe je vyráběn z popela ze spalování dřeva, tudíţ i jeho cena by měla být nízká, protoţe se jedná o
„odpad“.
Z dosaţených výsledků má nejlepší sorpční kapacitu sorbent CS při teplotě měření 300°C, v tomto případě, ale
byla špatná mechanická pevnost. Jako druhý nejlepší byl sorbent Phoenix při teplotě 300°C a i pevnost tohoto
sorbentu byla přijatelná, tudíţ pro náš účel by tento sorbent byl nejvhodnější i z důvodu jeho nízké ceně.
LITERATURA
[1] Machač P., Koza V., Chalupa P., Píša J.: Vysokoteplotní sorpce H2S, COS, HCl a HF z energetického plynu,
Projekt GFC - Šestý rámcový program
[2] Bradáčová K.: Vývoj materiálů pro vysokoteplotní sorpci H2S, HCl a HF, diplomová práce, 2008
[3] Svojtka J.: Nakládání, zpracování a vyuţití odpadních plastů (PVC), www.waste.cz
[4] www.petrecycling.cz
/ 52 /
18
20
Brno 2010
MIKROBIÁLNÍ POPULACE V BIOPLYNU
Jiřina Čermáková, Daniel Tenkrát, Jakub Mrázek, Kateřina Fliegerová
Tento příspěvek se zabývá studiem mikrobiální populace v bioplynu pomocí metody založené na molekulární
genetice, která dokáže identifikovat větší množství mikroorganizmů než pomocí klasické kultivace. V bioplynu
z čistírny odpadních vod bylo nalezeno téměř 8 mil. bakterií v m3 a nejvíce byly zastoupeny dva kmeny Firmicutes
a Proteobacteria. Avšak mnohé mikroorganismy v bioplynu jsou dosud neznámé nekultivované bakteriální druhy.
Studium bakteriální biodiversity v bioplynu hraje klíčovou roli zejména při konečném využití bioplynu, protože
některé druhy mohou způsobovat korozi zařízení či potrubí nebo mohou být dokonce patogenní a využívat
bioplyn ke svému šíření.
Klíčová slova: bioplyn, mikrobiologie, PCR
ÚVOD
Bioplynové stanice slouţí ke komerční výrobě obnovitelné energie ve formě bioplynu, který lze pouţít pro
kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách či k úpravě na náhradní zemní plyn.
Bioplyn vzniká anaerobní fermentací organického materiálu za přítomnosti anaerobních mikroorganismů, které
ovlivňují jeho sloţení. Část mikroorganismů z fermentovaného kalu je strhávána proudem bioplynu a můţe se
dostat aţ do místa konečného vyuţití bioplynu. Klasické zemědělské bioplynové stanice, ani čistírny odpadních
vod (ČOV) nevyţadují speciální úpravu substrátu, který můţe obsahovat neţádoucí mikroorganismy (např.
oportunní patogeny).[1,2] S velkým rozvojem bioplynových stanic tedy vyvstává otázka potenciálního rizika šíření
mikroorganismů bioplynem. Tento příspěvek se zabývá monitorováním mikrobiální populace v bioplynu.
Mnoţství a typy mikroorganismů ve fermentoru závisí jednak na druhu zpracovávaného materiálu, ale také na
pouţitém fermentačním reţimu. Celkový počet mikroorganizmů ve fermentační biomase je přibliţně 1*10 18. g-1,
zatímco v bioplynu se počty pohybují v rozmezí 2*104 – 2*107.m-3 (přibliţně stejné mnoţství jako ve vzduchu).
Z těchto dat vyplývá, ţe přibliţně jedna bakterie ze 100 milionů přejde z fermentovaného substrátu do bioplynu.
Mikroorganismy v bioplynu nejsou jen naředěnou formou mikroorganismů z fermentoru, ale vykazují značné
nesrovnalosti, které jsou způsobeny rozdílnými vzorci chování jednotlivých mikroorganismů. Jejich chování lze
rozdělit do tří skupin; první skupinu představují mikroorganismy, které pasivně (náhodně) přecházejí do bioplynu.
Mezi pasivní kmeny patří Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes a Synergistes, jejichţ mnoţství závisí na typu
bioplynu, např. ve skládkovém se téměř nevyskytují a naopak v hojném počtu jsou zastoupeny v bioplynu z ČOV,
coţ je především způsobeno opětovným pouţitím odpadní vody, ve které jsou zachyceny. Druhou skupinu tvoří
negativně aktivní mikroorganismy, které se chtějí vyvarovat přestupu do bioplynu, které je pro ně nepřátelským
prostředím. Jedná se např. o Deltaproteobacteria, Spirochates, Thermotogae nebo sulfát-redukující bakterie.
Třetí skupina představuje mikroorganismy, které přednostně přecházejí do bioplynu. Tento přechod pouţívají ke
svému šíření a v bioplynu se tedy vyskytují ve významně vyšších koncentracích neţ ve fermentoru. Jedná se
zejména o Alfa, Beta a Gamaproteobacteria.[3]
METODY STANOVENÍ
Klasická mikrobiologie, zaloţená na kultivaci, dokáţe izolovat méně neţ 20 % mikroorganismů přítomných
ve fermentoru. Pro zbývajících více neţ 80 % nebyli dosud nalezeny vhodné kultivační substráty nebo izolační
postupy. Informace o těchto mikroorganismech mohou poskytnout metody molekulární genetiky zaloţené
na analýze nukleových kyselin, např. polymerázová řetězová reakce (PCR, z anglického Polymerase Chain
Reaction), kvantitativní PCR (Real-time PCR), DGGE (denaturační gradientová gelová elektroforéza), klonování
a sekvenační analýza.
PCR
Hlavní výhodou PCR je její vysoká citlivost. Pro namnoţení určité sekvence stačí velmi malé mnoţství DNA,
které probíhá ve třech krocích. Prvním krokem je krátké zahřátí celé směsi na teplotu 94 – 96 °C, při které
dochází k porušení vodíkových můstků a k oddělení řetězců DNA. Druhým krokem je ochlazení směsi na 50 –
Ing. Jiřina Čermáková, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha 6, [email protected]
/ 53 /
Brno 2010
65 °C, které umoţňuje krátkým oligonukleotidům DNA (tzv. primerům) se navázat na cílovou DNA vodíkovými
můstky podle pravidel komplementarity. Primery ohraničují začátek a konec úseku DNA, který má být
amplifikován. Ve třetím kroku (při teplotě 72°C) dochází k samotné syntéze nové DNA k původní molekule DNA.
Výsledkem je dvojnásobné mnoţství DNA. Tyto kroky se cyklicky opakují a pro dostatečné namnoţení
poţadovaného fragmentu obvykle postačuje 30 cyklů.[4]
Separace namnoţených fragmentů DNA probíhá pomocí gelové elektroforézy (DGGE, z anglického denaturing
gradient gel electrophoresis), která je zaloţena na klesající pohyblivosti fragmentů v polyakrylamidovém gelu.
Pohyblivost závisí na počtu vodíkových můstků, tedy na typu, rozmístění a poměru bází, nikoliv na délce (úseky
namnoţení DNA jsou stejně dlouhé). V praxi to znamená, ţe DNA putuje v elektrickém poli aţ do okamţiku, kdy
se oba řetězce DNA začnou od sebe oddělovat. Řetězce v místech bohatých na AT páry se snáze oddělují,
zatímco úseky bohaté na CG jsou stabilnější a dojdou dále. Počet pruhů vzniklých na gelu značí počet
dominantních druhů mikroorganismů ve vzorku.[5] Získané pruhy jsou z gelu vyříznuty, přečištěny a opět
namnoţeny pomocí PCR s fluorescenčně značenými primery. Získané sekvence jsou porovnány s databází
GenBank pomocí BLASTn algoritmu.
Real-time PCR
Real-time PCR umoţňuje na rozdíl od klasické metody kvantitativní stanovení jednotlivých druhů mikroorganismů
ve vzorku. Princip zůstává stejný, ale reakční směs navíc obsahuje fluorescenční barvu (nejčastěni SYBR
Green), která se váţe na vznikající dvouvlákno DNA. Při tom se uvolňuje fluorescence, která je zaznamenávána
přístrojem. Rychlost vzniku fluorescence odpovídá mnoţství vzniklého produktu. Kvantifikace je provedena
porovnáním s jinou (kontrolní) skupinou nebo z kalibrační křivky standartu.[4]
Vzorkování bioplynu
Pro odběr vzorků bioplynu byla vybrána čistírna odpadních vod Bubeneč, která pracuje v mezofilním reţimu.
K zachycení mikroorganismů byl pouţit nylonový membránový filtr s velikostí pórů 0,22 μm od firmy Millipor. Filtry
byly lokalizovány na dvou místech, jednak přímo za fermentorem a pak za adsorpční jednotkou, která slouţí
k odstraňování siloxanů z bioplymu. Mimo plynných vzorků byl také odebrán vzorek kalu, ze kterého je bioplyn
vyráběn. Všechny vzorky byly zmraţeny na min. -30 °C, aby nedocházelo k rozkladu mikroorganismů. Poté byly
mikroorganismy stanovovány a kvantifikovány na Ústavu ţivočišné fyziologie a genetiky Akademie věd České
republiky, v.v.i.
VÝSLEDKY A DISKUSE
Real-time PCR
Pomocí metody real-time PCR bylo stanoveno celkové mnoţství mikroorganismů v kalu (1,36 miliard bakterií.m-3)
i v bioplynu. V bioplynu za fermentorem se vyskytovalo 7,63 mil. bakterií.m-3 a za adsorpční jednotkou pouze 3,1
mil. bakterií.m-3. Tento poloviční propad je pravděpodobně způsoben částečným zachycením mikroorganismů
jednak v chladicím zařízení plynu, který je umístěn před adsorpční jednotkou, ale také samotným záchytem
na aktivním uhlí v adsorbéru. V bioplynu byly nalezeny 4 rody mikroorganismů (tab. 1). Nejčetněji byl zastoupen
rod Desulfovibrio redukující sulfáty a síru na sulfan, který s vodou vytváří kyselé prostředí a zvyšuje riziko vzniku
koroze. Ke vzniku koroze také přispívají mikroorganismy druhu Clostridium leptum, které se podílí na
kyselinotvorné fázi v procesu fermentace.[5] Nejméně zastoupeným, ale potenciálně nejzajímavějším rodem jsou
Enterobacteriaceae, které v procesu fermentace štěpí cukry a redukují dusičnany na dusitany.
Enterobacteriaceae představují rozsáhlou skupinu zahrnující různé druhy patogenů, jako např. Salmonella.
/ 54 /
Brno 2010
Tab. 1 Mnoţství a druh mikroorganismů v bioplynu
Bioplyn za fermentorem
[mil. bakterií.m-3]
Druh/vzorek
Celkem buněk
C.leptum
Desulfovibrio
Faecallibacterium
Enterobacteriaceae
Ostatní
Bioplyn za adsorpční jednotkou
[mil. bakterií.m-3]
7,630
1,900 (24,9 %)
3,230 (42,3 %)
ND
0,043 (0,6 %)
2,457 (32,2 %)
3,100
0,578 (18,6 %)
ND
0,470 (15,2 %)
0,037 (1,2 %)
2,015 (65 %)
PCR + DGGE
Vytvořený DGGE profil ukazuje jednotlivé bakteriální druhy přítomné v bioplynu a ve fermentoru a dokazuje, ţe
kal obsahuje odlišné druhy mikroorganismů oproti bioplynu (obr. 1). Bandy označené v gelu čísly byly z gelu
vyříznuty a nasekvenovány. Všechny získané sekvence byly porovnány se známými sekvenci v GenBank
databázi a vykazovaly minimálně 93 % shodnost. Jednotlivé druhy jsou detailněji popsány v tab. 2. Nejčetněji byl
zastoupen kmen Proteobacteria.
1,2: bioplyn za fermentorem
3,4: bioplyn za adsorpční jednotkou
5,6: fermentovaný kal
Obr. 1
DGGE profil bioplynu a fermentovaného kalu z ČOV Bubeneč
Tab. 2 Popis jednotlivých druhů mikroorganismů z DGGE [6,7,8]
Vzorek Název
18, 22
E.coli
Shoda
[%]
Klasifikace
Specifikace
100
Proteobacteria;
Gammaproteobacteria;
Enterobacteriales;
Enterobacteriaceae;
ze střevní mikrolóry, můţe
produkovat toxiny
/ 55 /
19
20
21
23
24
Pseudomonas
sp.
Leucobacter sp.
Mycetocola
Butyvibrio sp.
Pseudobutyvibrio
ruminis
Uncultured
Bacteroidetes
bakterium
Uncultured beta
proteobacterium
Sphingomonas
sp.
-
95
93
Brno 2010
Proteobacteria;
Gammaproteobacteria;
Pseudomonadales;
Pseudomonadaceae
Actinobacteria; Actinobacteridae;
Actinomycetales; Micrococcineae;
Microbacteriaceae
redukují dusičnany na dusitany,
oportunní patogen
-
99
Firmicutes; Clostridia; Clostridiales;
Lachnospiraceae
ze střevní mikroflóry, štěpí
celulózu
99
Bacteroidetes
produkuje směs kyselin (kys.
propionová, mléčná, octová),
můţe způsobovat infekce
99
Proteobacteria; Betaproteobacteria
typický pro odpadní vody (ČOV)
99
Proteobacteria; Alphaproteobacteria;
Sphingomonadales;
Sphingomonadaceae
štěpí polysacharidy, aerobní
druh, můţe způsobovat infekce
ZÁVĚR
Pomocí metod molekulární biologie bylo zjištěno, ţe bakterie jsou schopny přecházet do bioplynu a jejich
mnoţství je přibliţně stejné jako mikrobiální znečištění vzduchu (cca. 8 mil.m -3). Podle našich výsledků nejčastěji
do bioplynu přestupují zástupci dvou bakteriálních kmenů, a to Proteobakterií a Firmicutes. Některé druhy
mikroorganismů vykazují škodlivé účinky na lidský organismus a jiné například zvyšují riziko koroze. Mnohé, a
v bioplynových fermentorech je to většina, druhy mikroorganismů nejsou dosud rozeznány a popsány, tudíţ není
znám ani jejich význam ve fermentačním procesu a jejich vliv na okolí. S lepším porozuměním mikrobiální
populace v bioplynu lze zamezit korozi potrubí a zařízení či případnému šíření patogenních mikroorganismů.
PODĚKOVÁNÍ
Experimentální práce byla financována z účelové podpory na specifický vysokoškolský výzkum (MŠMT č.
25/2010), podporována Národní agenturou pro zemědělský výzkum (grant č. QI92A286/2008) a doktorandským
grantem Grantové agentury České republiky (grant č. P503/10/P394).
1
2
3
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
GANTZER C., GASPARD P., GALVEZ L., Huyard A., DUMOUTHIER N.: Monitoring of bacterial and
parasitological contamination dutiny various treatment of sludge, Water Res, 2001, 37763 - 70
SAHLSTRÖM L., ASPAN A., BAGGE E., DANIELSSON-THAM ML., ALBIHN A.: Bacterial pathogen
incidence in sludge from Swedish sewage treatment plants, Water Res, 2004, 1984 – 89
MOLLETA M., DELGENES JP., GODON JJ.: Differences in the aerosolization behavior of microorganism
as revealed through thein transport by biogas, Science of the Total Environment, 2007, 75 – 88
MALIK S., BEER M., MEGHARAJ M., NAIDU R.: The use of molecular techniques to characterize the
microbial communities in contaminated soil and water. Env. International 34, 2007, 265 - 276
ZHU XY., LUBECK J., KILBANE JJ.: Characterization of microbial communities in gas industry pipelines,
Applied and Environmental Microbiology, 2003, 5354 – 5363
http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Bovine_Rumen, staţeno dne 14. 11. 2010
ATLAS RM.: Principles of microbiology, Dubuque: McGraw-Hill, 1997, ISBN 0-8151-0889-3
http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Sphingomonas, staţeno dne 14. 10. 2010
/ 56 /
Brno 2010
KVALITA DREVNÉHO PLYNU ZO SPLYŇOVANIA BIOMASY V NEHYBNOM LÔŢKU A VO FLUIDNEJ
VRSTVE V ZDROJOCH NÍZKEHO VÝKONU
Filip Furka, Gustáv Jablonský, Marcel Pástor
Príspevok je zameraný na porovnanie kvality produkovaného drevného plynu. Ako palivo sa používala biomasa
rôznej zrnitosti. Splyňovalo sa na dvoch typoch splyňovacích zariadení. Článok obsahuje základné parametre
generátorov (fluidného aj roštového) ich kvalitu a zloženie plynu.
Kľúčové slová: obnoviteľné energetické zdroje, biomasa, splyňovanie, drevný plyn
SPYŇOVANIE BIOMASY
Cieľom splyňovania je výroba generátorového plynu (označovaný aj ako energoplyn alebo syngas). Popri tomto
procese dochádza k vzniku tuhých a tekutých zvyškov. Tuhé zvyšky sú popol, nezreagovaný uhlík vo forme
koksu, sadzí a karbonátov. Z tekutých zloţiek sú to pyrolýzny olej a kondenzát obsahujúci dechty a fenoly.
Tab. 1 Technologické parametre pri rôznych technológiách splyňovania
Technológia
Obsah
Dechtu
S dolným ťahom veľmi
nízky
S horným ťahom veľmi
vysoký
Fluidný BFB
stredný
Fluidný
cirkulačný
nízky
Prachu
Kolísanie kvality Výkonové
plynu
rozmedzie
nízky
Veľmi veľké
nízky
Veľké
vysoký
veľmi
vysoký
Veľmi nízke
Veľmi nízke
veľmi
obmedzené
obmedzené
Typická tepelná kapacita
zariadenia [MW]
Min
Max
0,05
1,5
dobré
veľmi
dobré
0,5
1
0,5
30
1
100
EXPERIMENTÁLNY FLUIDNY SPLYŃOVAĆ
Jedná sa o fluidný atmosférický splyňovač s bublajúcou vrstvou. Jeho výstavba bola vykonaná hlavne na
výskum a optimalizáciu podmienok splyňovania predovšetkým jemnozrnnej biomasy Zariadenie je znázornené na
obr.1.
Hlavnou časťou zariadenia je fluidný splyňovací generátor, v ktorom dochádza k fluidizácii a následnému
splyňovaniu paliva. Do splyňovača sa palivo pridáva závitnicovým podávačom. Vzduch sa privádza zo spodnej
časti ventilátorom. Vyprodukovaný drevný plyn prechádza cez cyklónový odlučovač , kde sú odlúčené
nesplynené čiastočky paliva. Produkovaný plyn sa z cyklóna odvádza potrubím a následne je spaľovaný za
pomoci bezpečnostného horáka napojeného na zemný plyn.
Ing. Filip Furka, Katedra pecí a termotechniky, Technická univerzita v Košiciach, Letná 9, 042 00 Košice [email protected] / 57 /
Brno 2010
Obr. 1 Fluidne splyňovacie zariadenie na KpaT[1]
Tab. 2 Parametre fluidného reaktora[1]
PARAMETRE REAKTORA
Výkon (v produkovanom plyne), max.
Príkon (v palive), max.
Spotreba dreva, max.
Beţná spotreba paliva
Prietok vzduchu, max.
Beţná spotreba vzduchu
Teplota v reaktore
25 kWth
42 kWth
8 kg.h-1
3 - 5 kg.h-1
20 Nm3.h-1
4 – 12 m3.h-1
600 – 900 °C
Tab. 3 Chemické zloţenie drevného plynu[1]
Prebytok
CH4
H2
O2
N2
CO2
CO
C2H4
C2H6
C2H2
C3 – C8
Qn
Hustota
[-]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
[MJ.m-3]
[kg.Nm-3]
SYNGAS 1
0,4
1,28
4,47
4,52
67,6
13,7
7,51
0,51
0,05
0,22
0,157
2,56
1,294
SYNGAS 2
0,37
1,35
3,8
4,32
67,8
13,6
8,1
0,51
0,06
0,25
0,208
2,68
1,3
/ 58 /
SYNGAS3
0,31
1,77
4,31
0,02
64,8
15,8
12,1
0,58
0,13
0,11
0,39
3,60
1,303
SYNGAS4
0,26
1,89
5,09
0,04
63,3
15,5
12,8
0,6
0,11
0,38
0,32
3,89
1,291
Brno 2010
Na Obr.2 sú graficky znázornené priebehy zloţiek metánu, vodíka, oxidu uhoľnatého a oxidu uhličitého
v závislosti od prebytku spaľovacieho vzduchu. S postupným zniţovaním prebytku dochádza k zvyšovaniu
koncentrácie horľavých zloţiek a k poklesu koncentrácie N2.
Nárast výhrevnosti moţno pripísať zníţeniu obsahu kyslíka, dusíka a oxidu uhličitého v reaktore, s čím súvisí
nárast horľavých zloţiek, ako CO, vodíka a uhľovodíkov. Táto závislosť je znázornená na obr.2.
Obr. 2 Závislosť koncentrácie zloţiek CH4, H2, CO a CO2 od prebytku vzduchu[1]
Obr. 3 Zmena výhrevnosti v závislosti od prebytku vzduchu[1]
PROTIPRÚDNY SPLYŇOVACÍ REAKTOR
Z hľadiska konštrukcie a obsluhy splyňovacieho zariadenia patrí tento typ splyňovača medzi najjednoduchšie,
ale zároveň aj najspoľahlivejšie. Konštrukcia celého zariadenia pozostáva zo splyňovacej časti (1) s priemerom
/ 59 /
Brno 2010
500 mm a výškou 2000 mm, okolo ktorého je plášť (2) na predohrev splyňovacieho vzduchu. Palivo, v našom
prípade kusové drevo, je podávané do splyňovacej komory zhora zo zásobníka (3) cez dva noţové uzávery (4).
Týmito dvoma noţovými uzávermi sa oddeľuje vonkajšia atmosféra od vnútornej splyňovacej komory.
Obr. 4 Roštový protiprúdny splyňovač na KpaT
Tab. 4 Parametre splyňovacieho zariadenia[2]
PARAMETRE REAKTORA
Výkon (v produkovanom plyne), max.
Príkon (v palive), max.
Spotreba dreva, max.
Beţná spotreba paliva
Prietok vzduchu, max.
Beţná spotreba vzduchu
Teplota v reaktore
168kWth
210 kWth
55 kg.h-1
20-25 kg.h-1
70 Nm3.h-1
28-35 m3.h-1
250-350°C
/ 60 /
Brno 2010
Obr. 5 Porovnanie percentuálnych hodnôt zloţiek pre rôzne výhrevnosti[2]
Hmotnosť vsádzky biomasy m = 24,7 kg. Vlhkosť paliva W = 21 %, Q vz = 33,6 m3.h-1, m = 0,2. Stabilita procesu
splyňovania je vyhodnocovaná podľa stability teplôt v reaktore a priebehu koncentrácií hlavných zloţiek (CO, CO2
a CH4) v produkovanom plyne. Splyňovací vzduch bol nastavovaný podľa zloţenia CO, O 2 a CO2. Ako je z grafu
na obr. 6 vidieť, teplota produkovaného plynu aţ tak výrazne neklesá alebo nestúpa, pretoţe vsádzkovanie bolo
prevedené v kratších odstupoch a tak isto aj poznatok aktuálnych % – tuálnych hodnôt CO, CO2 a O2 prispelo k
lepšiemu nastaveniu mnoţstva vzduchu potrebného k splyňovaniu.[2]
Obr. 6 Závislosť teplôt plynu a vzduchu na čase splyňovania[2]
Skrátením intervalov vsádzkovania biomasy do splyňovača a reguláciou mnoţstva splyňovacieho vzduchu podľa
aktuálneho % zloţenia O2, CO2 a CO v plyne, nedochádzalo k veľkým výkyvom v kolísaní sa teplôt energoplynu v
splyňovacej jednotke. Hodnoty výhrevnosti energoplynu boli dostatočne vysoké, čomu odpovedali aj
/ 61 /
Brno 2010
percentuálne hodnoty zloţiek plynu, kde plyn obsahoval okolo 10 % H2, 20 % CO, 3,2 % CH4, 2 % O2, 12 %
CO2.[2]
ZHODNOTENIE NAMERANÝCH VELIĆÍN
80
70
Percentuálny podiel [%]
60
50
Roštový splyňovač
40
Fluidny splyňovač
30
20
10
0
CH4
H2
O2
N2
CO2
CO
C2H4
C2H6
C2H2
Zložky plynu
Obr. 7 Porovnanie zloţiek plynu pre fluidný a roštový splyňovač
Z obrázku 7 vyplýva, ţe pri splyňovaní na roštovom splyňovači je kvalita vyprodukované plynu vyššia.
ZÁVER
Pri splyňovaní vo fluidnom splyňovači sa berie veľký dôraz na frakciu paliva. Na základe malého výkonu je moţné
pouţiť ako palivo, piliny alebo prach z pilín. Výroba pilín je finančne náročný proces z ohľadom na vysokú cenu
elektrickej energie. Na základe toho je moţné dané zariadenie prevádzkovať iba v blízkosti drevoobrábajúcich
závodov (píla, výroba nábytku,...). Výhodu fluidného splyňovania oproti roštovému splyňovaniu je podstatne
niţšia produkcia dechtov. Výhodou roštového splyňovania je moţnosť pouţitia drevnej štiepky (rôznej veľkosti),
flexibilný výkon, nízky obsah prachu vo vzniknutom plyne. Ďalšou výhodou je moţnosť splyňovania aj menej
kvalitných palív.
Tento príspevok bol vypracovaný ako súčasť riešenia projektu VEGA č. 1/0616/10 a získané výsledky sú
súčasťou riešenia tohoto grantového projektu.
1
2
3
Suchý, Tomáš: Fluidné splyňovanie biomasy. Dizertačná práca.Košice : Technická univerzita v Košiciach
Hutnícka Fakulta, 2008.
Cmaríková, Silvia: Analýza reburningu drevným plynom. Dizertačná práca. Košice: Technická univerzita
v Košiciach, hutnícka Fakulta, 2009.
LACIAK, Marek. – KAČUR, Ján. Optimálne riadenie procesu splyňovania uhlia v
laboratórnych podmienkach. In: AT&P Journal. 4/2010, pp. 47-50. ISSN 1336-233X.
/ 62 /
Brno 2010
NÁVRH ZARIADENIA NA SPLYŇOVANIE BIOMASY S ENERGETICKÝM POTENCIÁLOM VYUŢITIA
ENERGOPLYNU
Gustáv Jablonský, Augustín Varga, Ján Kizek, Valentin Lunkin, Filip Furka
Článok sa zaoberá splyňovaním drevnej štiepky v protiprúdnom splyňovaciom generátore a následnom vyuţití
vzniknutého energoplynu v alternatívnych zariadeniach. Obsahuje schému zapojenia systému, jeho rozbor
a následné vyplývajúce úpravy.
Kľúčové slová: protiprúdny splyňovací generátor, stirlingov motor, drevná štiepka
ÚVOD
Splyňovanie biomasy v súčasnej dobe dobre nahrádza spaľovanie nízkoenergetických biopalív. Jednou z výhod
splyňovania je, ţe produkovaný plyn je moţné do určitej miery vyčistiť. Následne sa dá spáliť samostatne, alebo
v kombinácii s iným plynným palivom o vyššej výhrevnosti. Takýmto spôsobom sa dajú zníţiť produkované
emisie na jednotku paliva a zníţiť celkové prevádzkové náklady. Jednou z ďalších výhod je, ţe energia vo
vzniknutom plynom palive rozširuje moţnosti technologického vyuţitia.
TYP SPLYŇOVACIÉHO GENERÁTORA
Voľba typu splyňovacieho zariadenia je priamo viazaná na výkon, poţité palivo a na následnom vyuţití
energoplynu. Pre splyňovanie pri nízkych výkonoch sa ako najvhodnejšie javí vyuţitie protiprúdneho generátora.
Tento typ generátora nie je náročný na obsluhu, má jednoduchú konštrukciu, môţeme splyňovať palivo o vysokej
vlhkosti a zároveň plyn obsahuje nízke mnoţstvo prachu. Ďalšou výhodou tohto zariadenia je, ţe nie je citlivý na
zmenu výkonu a vsádzka môţe obsahovať veľkosť častíc v širokom rozmedzí. Na druhej strane veľmi podstatnou
nevýhodou je vysoký obsah dechtov v produkovanom plyne s nutnosť ďalšieho čistenia.
PRINCÍP SPLYŇOVANIA V PROTIPRÚDNOM GENERÁTORE
Protiprúdny splyňovač (obr.1) sa vyznačuje podávaním paliva zhora a následným poklesom. V opačnom smere
prúdi splyňovací agent. Vznikajúci plyn prúdi smerom nahor. V prvej fáze poklesu vsádzky dochádza k sušeniu
paliva stúpajúcim plynom. Vytvára sa veľké mnoţstvo pár, ktoré chladia toto pásmo a ovplyvňujú kvalitu
vzniknutého plynu. Ďalším poklesom sa vsádzka dostáva do pyrolýznej zóny, kde sa tepelne nestále zloţky
začnú uvoľňovať. Vzniká polokoks, plyny a odparené látky. Odparená kvapalina obsahuje dechty a
polyaromatické uhľovodíky. Dechty kondenzujú na klesajúcej vsádzke, alebo sú unášané z reaktora, čo je jednou
z príčin vysokého obsahu dechtu v plyne. Následným poklesom sa vsádzka oxiduje (spaľuje) a dodáva potrebné
teplo pre endotermické reakcie.
Obr. 1 Schéma reakčných zón v protiprúdnom reaktore . [1]
Ing. Gustáv Jablonský, Katedra pecí a termotechniky, Technická univerzita v Košiciach, Letná 9, 042 00 Košice,
[email protected]
/ 63 /
Brno 2010
Hlavnými chemickými reakciami ktoré prebiehajú pri splyňovaní [2]:
spaľovanie uhlíka
čiastočná oxidácia
oxidácia CO
vodný prešmyk
metanácia
hydrogenácia
Boudouardova reakcia
reakcia para – uhlík
uvoľňovanie vodíka
C + O2 → CO2
ΔHR,273 = - 406 MJ/kmol,
C + ½ O2 → CO
ΔHR,273 = - 123 MJ/kmol,
CO + ½ O2 → CO2
ΔHR,273 = - 283 MJ/kmol,
CO + H2O → CO2 + H2
ΔHR,273 = - 40,9 MJ/kmol,
CO + 3 H2 → CH4 + H2O
ΔHR,273 = - 206,3 MJ/kmol,
C + 2 H2 → CH4
ΔHR,273 = - 88,4 MJ/kmol,
C + CO2 → 2CO
ΔHR,273 = + 159,7 MJ/kmol,
C + H2O → CO + H2
ΔHR,273 = - 118,9 MJ/kmol,
2 H (v uhlí) → H2 (plyn)
ΔHR,273 = 0 MJ/kmol.
Uvedené reakcie sú postačujúce pri popise procesu splyňovania. V skutočnosti prebieha oveľa viac chemických
reakcií. Z väčšej časti sú zloţené z uvedených reakcií.
PROTIPRÚDNY GENERÁTOR NA KPAT
Na katedre pecí a teplotechniky bol zostrojený protiprúdny splyňovací reaktor na splyňovanie biomasy (obr. 2).
Pozostáva zo splyňovacej časti valcového tvaru priemeru 0,5 m a výšky 2 m okolo ktorého je plášť, ktorý slúţi na
predohrev splyňovacieho vzduchu a zároveň ako tepelná izolácia. Palivo sa privádza z hora zo zásobníka cez
dva noţové uzávery. Vzduch vstupuje do plášťa v hornej časti valca a v spodnej vychádza cez trysku nad rošt
o teplote pribliţne 300 °C. V Tab. 1 sú uvedené výkonové parametre generátora.
Výkon (v energoplyne)
Spotreba dreva
Beţná spotreba dreva
Prietok vzduchu
Beţný prietok vzduchu
Teplota produkovaného plynu
Prietok energoplynu
Beţný prietok energoplynu
50 - 150
20 - 70
25 - 30
40 - 150
35 - 45
350 - 400
50 -150
50 - 70
Tab. 1 Výkonové parametre spylaňovacieho generátora na KPaT.
/ 64 /
kW
kg/h
kg/h
m3/h
m3/h
ºC
m3/h
m3/h
Brno 2010
Zloţenie energoplynu
Obr. 2 protiprúdny splyňovací reaktor na KPaT
Na experimentálnom zariadení umiestnenom v laboratórnych priestoroch Katedry pecí a teplotechniky boli
prevedené viaceré merania. Pri splyňovaní drevnej štiepky z rôzneho odpadového dreva (vŕba, breza, orech a
ďalších) o zrnitosti 5 aţ 30 mm a prebytku splyňovacieho vzduchu m= 0,22 - 0,28 sa získal plyn o výhrevnosti 4,2
- 4,5 MJ.m-3 o nasledujúcom priemernom zloţení (Tab. 2).
CH4
5
Priemerné zloţenie energoplynu [%]
H2
N2
CO2
CO
10
52
12
20
CnHm
1
Tab. 2 Priemerné hodnoty zloţenia energoplynu.
MOŢNOSTI VYUŢITIA ENERGOPLYNU
Vyuţitie energoplynu z generátora s pevným lôţkom je obmedzené. Súvisí to s jeho relatívne nízkou
výhrevnosťou a vysokým obsahom dechtov. Zariadenia, ktoré by takýto plyn mohli spaľovať sú:
Kombinovaný kotol,
Stirlingov motor.
Kaţdé z týchto zariadení ma svoje výhody aj nevýhody, ktoré ovplyvnia voľbu napojenia na produkovaný plyn.
Kombinovaný kotol - ide o typ kotla, ktorý pozostáva z 3 samostatných komôr. Kotol umoţňuje spaľovanie aj
splyňovanie dreva a drevných odpadov. Umoţňuje tieţ spaľovanie zemného plynu a prípadnou výmenou horáka,
dokáţe spaľovať aj ďalšie plynné palivá. Je riadený teplotným senzorom na výstupe vody.
Výhody
umoţňuje spaľovanie aj splyňovanie,
moţnosť výmeny horáka pre spaľovanie rôznych druhov plynných palív,
vysoká účinnosť pri menovitom výkone,
moţnosť súčasného vyuţitia rôznych druhov palív,
dostupnosť.
/ 65 /
Brno 2010
Nevýhody
moţnosť zanesenia horáka.
Stirlingov motor - motor s externou spaľovacou komorou, kde nehrozí zanesenie a upchanie mechanických častí.
Pracuje pri nízkom rozdiele teplôt. Hlavnou nevýhodou je nízka účinnosť premeny energie.
Výhody
externá spaľovacia komora,
pracuje pri nízkom rozdiele teplôt.
Nevýhody
nízka účinnosť
dostupnosť komerčnej verzie.
NÁVRH SÚSTAVY ZARIADENÍ NA ENERGETICKÉ VYUŢITIE BIOMASY
Idea tohto návrhu (Obr. 3) je vyuţitie plynu pri splyňovaní biomasy v kombinovanom systéme na výrobu tepla
a elektrickej energie. Návrh voľby nízkeho výkonu viedol cez rozhodnutie, ţe zariadenie sa ma prevádzkovať na
prezentačné a výskumné účely. Pracovná doba toho zariadenia bude nárazová a nepredpokladá sa, ţe by bola
pouţitá viac ako 20 hodín za týţdeň. Na základe týchto poţiadaviek sa zvolil výkon generátora v rozpätí 50 - 100
kW. Keďţe ide o nízky výkon nedá sa v tomto prípade pouţiť fluidný splyňovací reaktor. Jedna z ciest vedie cez
pouţitie roštového generátora. Výsledkom pouţitia tohto typu generátora je plyn nízkej výhrevnosti, nízkeho
mnoţstva prachu, ale s vysokým obsahom dechtov. Pre tento plyn sa konštrukčne javí vhodné napojenie na
kombinovaný kotol a stirlingov motor. Tieto zariadenia sú zaujímavé z hľadiska toho, ţe kotol sa podieľa na
výrobe tepla a stirlingov motor na výrobe elektrickej energie. Pri voľbe typu kombinovaného kotla s moţnou
výmeny horáka pre spaľovanie plynného paliva sa predišlo problémom konštrukčnej úpravy, keďţe daný typ kotla
spaľuje aj splyňuje drevo a drevné pelety. Na výrobe elektrickej energie sa mal v počiatkoch podieľať ORC
cyklus, ale ohľadom na vysoké investičné náklady a vysoké výkony sa od tejto myšlienky upustilo. Vhodnejšou
alternatívou sa teda javí vyuţitie stirlingovho motora s externou spaľovacou komorou. Výhodou tohto typu je ţe
dokáţe pracovať pri nízkom rozdiele teplôt, čo ma pozitívny vplyv najme pre vyuţitie nízkoenergetického paliva.
/ 66 /
Brno 2010
Obr. 3 Schéma zapojenia sústavy na energetické vyuţitie energoplynu z protiprúdneho generátora biomasy
/ 67 /
Brno 2010
POPIS ENERGETICKÉHO VYUŢITIA ENERGOPLYNU VZNIKAJÚCEHO V PROTIPRÚDNOM GENERÁTORE
Drevná štiepka uloţená v zásobníku cez rošt prepadá na dopravník. Pomocou dvoch závitových dopravníkov sa
drevná štiepka dopravuje do medzizásobníka. Samospádom cez takzvaný turniket a následne závitovým
dopravníkom sa štiepka privádza do vrchnej časti protiprúdneho generátora. Závitový dopravník a turniket slúţia
ako zábrana proti unikaniu vzniknutého plynu Vznikajúci plyn vychádzajúci z vrchnej časti reaktora je vedený
najprv na tzv. fakľu, ktorá sa vyuţije pri vysokých výkonoch a zároveň slúţi v prípade nábehu generátora na
kontrolu vznikajúceho plynu. Energoplyn sa ďalej delí, časť ide do kotla a časť do externej spaľovacej komory
stirlingovho motora. Plyn privedený do kotla zhorí, teplo odovzdá vo výmenníku vode a spaliny odchádzajú do
komína. Plyn vstupujúci do externej spaľovacej komory stirlingovho motora zhorí, časť tepla sa vyuţije v teplej
časti stirlingovho motora a odchádzajúce spaliny sú vedené cez výmenník do komína. Studený vzduch je tlačený
do výmenníka tepla (spaliny - vzduch) ventilátorom. Vzduch sa predhrieva a vedie sa do spaľovacích komôr
kombinovaného kotla a stirlingovho motora a tieţ do vrchnej časti plášťa protiprúdneho generátora. Takto
predohriaty vzduch zvyšuje spaľovacie teploty v komorách, izoluje generátor a zvyšuje teplotu protiprúdneho
generátora. Voda do kotla najprv prechádza studenou časťou stirlingovho motora, kde slúţi ako chladivo a takto
ohriata vstupuje do kombinovaného kotla. Horúca voda je potom vedená do zásobníka tepla. V stirlingovom
motore sa tepelná energia premení na elektrickú energiu, ktorá sa vyuţije na vlastnú spotrebu a na tzv. ţiarovku.
Ako vyplýva zo schémy, pri nábehu alternatívnych zariadení sa bude vyuţívať zmiešavanie so zemným plynom.
Rovnako sa bude vyuţívať, ak kvalita energoplynu nebude postačujúca. Tieto úpravy slúţia na ochranu
zariadení.
ZÁVER
Návrh sústavy je podmienený predmetom účelu a prevádzky. Výkon reaktora musí byť flexibilný potrebám
alternatívnych zariadení. Z dôvodu zvýšenej tvorby dechtov pre tento druh reaktora je potrebné, aby vzdialenosti
medzi jednotlivými zariadeniami boli čo najkratšie a potrubia boli dobre izolované. Pre optimalizáciu výkonu
a prevádzky tohto reaktora vyuţiť závislosť prebytku vzduchu a mnoţstva privádzaného paliva na kvalitu
produkovaného plynu. Jednou z moţností riadenia mnoţstva kontinuálne privádzaného paliva do reaktora je
riadenie otáčok dopravníkového systému vrátane turniketa.
Výsledky prezentované v príspevku sú súčasťou ITMS riešenia projektu č. 26220220064 ”Centrum výskumu
účinnosti integrácie kombinovaných systémov obnoviteľných zdrojov energií “
1
2
3
Bioplyn a splyňovanie biomasy, Ing. Peter Geffert, [online] [cit. 2010-11-24].
Dostupné na internete:http://www.enviro.gov.sk/servlets/files/16037
Christopher Higman, Maarten van der Burgt, Gasification, 2003, ISBN -13:978-0-7506-7707-3
Holoubek, D.: Spaľovacie zariadenia, výmenníky tepla a kotle, ISBN 80-7099-832-6, Košice, 2002
/ 68 /
Brno 2010
VPLYV ZMENY DĜŢKY LISOVACEJ KOMORY NA TLAKOVÉ POMERY V LISOVACEJ KOMORE A
VÝSLEDNÚ KVALITU VÝLISKOV
Peter Kriţan, Miloš Matúš
Príspevok pojednáva o zhutňovaní materiálu, hlavne biomasy, čo je jedna z možností ako zhodnotiť tento odpad.
Cieľom tohto príspevku je prezentovať ako sú dôležité aj niektoré konštrukčné parametre lisovacej komory
briketovacieho stroja v procese zhutňovania. Okrem známych a dokázaných vplyvov technologických
parametrov, teda je nutné venovať pozornosť aj konštrukčným parametrom lisovacej komory. V tomto príspevku
sa autori zamerali na vplyv zmeny dĺžky lisovacej komory na tlakové pomery v lisovacej komore, ktoré výrazne
ovplyvňujú výslednú pevnosť výlisku a teda aj jeho kvalitu. Informácie publikované v tomto príspevku boli získané
z vykonaných teoretických analýz, experimentov a skúseností z oblasti zhutňovania biomasy.
Kľúčové slová: biomasa, zhutňovanie, hustota brikety, dĺţka lisovacej komory, konštrukčné parametre lisovacej
komory
ÚVOD
Proces zhutňovania je veľmi zaujímavý proces spracovania biomasy. Zhutňovanie resp. lisovanie je však zároveň
aj komplikovaný proces, ktorý vyţaduje dokonalé porozumenie konfliktným vlastnostiam materiálu a problémom,
ku ktorým môţe dochádzať pri tomto procese. Pri procese lisovania dochádza k zhutňovaniu lisovaného
materiálu pôsobením tlaku, čím narastá jeho merná hustota a zmenšuje sa merný objem. Proces zhutňovania je
definovaný a posudzovaný výslednou kvalitou výlisku. Ukazovateľmi kvality výliskov sú hlavne hustota výliskov,
pevnosť výliskov a oter. Tieto parametre sú dôleţité z pohľadu manipulácie, dopravy, skladovania a spaľovania.
Vývoj a výskum v tejto oblasti sa zameriava na optimalizáciu procesu lisovania. Súvisí to zo zniţovaním nákladov
na prevádzku zhutňovacích strojov, výrobných nákladov strojov a taktieţ výrobných nákladov výliskov. Na
základe vykonaných meraní a experimentov bolo dokázané, ţe okrem technologických parametrov (lisovací tlak,
teplota lisovania, vlhkosť materiálu a veľkosť vstupnej frakcie materiálu), ktoré výrazne ovplyvňujú výslednú
kvalitu výliskov, majú na konečnú kvalitu výlisku významný vplyv aj konštrukčné parametre (dĺţka lisovacej
komory, jej priemer, kuţeľovitosť stien lisovacej komory, trenie medzi lisovaným materiálom a povrchom komory,
atď.) Vhodnou kombináciou spomínaných faktorov sa dá zhutňovací proces významným spôsobom optimalizovať
a nájsť najvýhodnejšie podmienky procesu lisovania.
VPLYV DĜŢKY LISOVACEJ KOMORY
Dĺţka lisovacej komory sa výrazne podieľa na rozloţení pôsobiacich tlakov v uzavretej lisovacej komore pri
jednoosovom lisovaní na vertikálnom aj na horizontálnom lise. Je nutné ju poznať ak chceme určiť vzťah medzi
axiálnym tlakom lisovacieho piesta pk a protitlakom pôsobiacim na lisovaný materiál pG. Tento vzťah je potom
moţné vyuţiť pri lisovaní v otvorenej lisovacej komore, kde protitlak je tvorený statickým trecím odporom medzi
uţ zlisovaným materiálom pretláčaným cez lisovaciu komoru a stenami tejto komory. Z tohto vzťahu moţno ďalej
vychádzať pri určovaní veľkosti potrebného protitlaku na lisovaciu operáciu a určenie statického trecieho odporu
pretláčaného stĺpca, ktorý uţ bol zlisovaný. Skúsenosti ukazujú, ţe po lisovaní je potrebný ešte určitý tlak na
pretlačenie uţ zlisovanej zátky (viď. Obr. 2).
Dĺţka lisovacej komory ovplyvňuje výslednú pevnosť a hustotu výliskov. Ak je komora príliš krátka, výlisok
nedosiahne dostatočnú pevnosť a zvyškové radiálne napätia ho roztrhnú ihneď po opustený lisovacej komory. Ak
je komora príliš dlhá, môţe dôjsť k enormnému nárastu pôsobiaceho protitlaku tvoreného dĺţkou zlisovaného
stĺpca a tým k zapechovaniu stroja a následnej deštrukcii. Preto je veľmi dôleţité nájsť optimálny vzťah medzi
lisovacím tlakom a dĺţkou lisovacej komory Lk (Obr.1), resp. nájsť vzťah ktorý určuje dĺţku lisovacej komory
v závislosti od lisovacieho tlaku, dĺţku lisovacej komory po vylisovaní z ktorej sa uţ výlisok neroztrhá. Pri lisovaní
sypkých materiálov sa väčšinou vychádza z anizotropie tlaku (vyššie tlaky sú v smere kolmom). Po vytlačení
zátky sa väčším hlavným napätím stáva radiálne napätie. To znamená, ţe zmena smeru väčšieho hlavného
napätia musí nastať počas nezaťaţenej fázy – pri vytlačení zátky. Preto musí nevyhnutne existovať stav, keď sa
radiálne aj axiálne napätie rovnajú, tzv. hydrostatický stav napätia. Po dosiahnutí tohto stavu budú radiálne
Ing. Peter Kriţan, PhD.; Strojnícka fakulta STU Bratislava ; Nám. Slobody 17, 81231 Bratislava; [email protected]/ 69 /
Brno 2010
napätia väčšie ako axiálne aţ kým pri úplnom uvoľnení tlaku, pôsobí na materiál len zvyškové radiálne napätie
σr,r. Výlisok je nutné vytlačiť z lisovacej komory aţ vo fáze keď pevnosť výlisku fc je väčšia ako zvyškové
radiálne napätie σr,r, resp. pr,r. Ak je splnená táto podmienka, je moţné výlisok vytlačiť z kalibračnej časti lisovacej
komory.
Obr.1 Lisovacia komora so zlisovanými jednotlivými zátkami [1]
Lk - dĺţka lisovacej komory (mm);
Lz - dĺţka stĺpca zlisovaných zátok (mm);
H - dĺţka zlisovanej zátky (mm);
pr - radiálny tlak (MPa);
pk - axiálny tlak piesta (MPa);
pr,r - zvyškový radiálny tlak (MPa);
Obr.2 Správanie sa radiálneho a axiálneho tlaku počas pretláčania v lisovacej komore [1], [2]
Vplyv dĺţky lisovacej komory na lisovacie tlaky je zrejmý uţ aj na základe matematických analýz [2].
Tento predpoklad sme chceli overiť experimentom na experimentálnom lisovacom stende, kedy bude pri
postupnom zniţovaní dĺţky komory skúmaný vplyv na axiálny tlak na zátku pm. Pred experimentom sme však
vplyv dĺţky lisovacej komory overili teoretickou analýzou. Pri analýze vplyvu zmeny dĺţky lisovacej komory bola
zvolená za východiskovú hodnotu dĺţka 140 mm – maximálna dĺţka lisovacej komory na experimentálnom
/ 70 /
Brno 2010
stende. Táto hodnota bola zniţovaná o 10%. Zvyšné parametre boli zvolené podľa skutočného, vyrobeného
experimentálneho stendu. Sledovali sme správanie sa axiálneho tlaku na zátku pm vplyvom zmeny dĺţky lisovacej
komory, pretoţe axiálny tlak na zátku ovplyvňuje výslednú pevnosť výliskov.
50
45
40
Tlak Pm (MPa)
35
30
25
20
15
10
5
0
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Dĺžka lisovacieho kanála L (mm)
Obr. 3 Závislosť axiálneho tlaku na zátku od dĺţky lisovacej komory [3]
Analýzou bolo overené ţe zväčšovaním dĺţky lisovacej komory, začal rásť aj axiálny tlak na zátku pm. Ďalej sme
softvér Mathematica pouţili pre predikovanie vzájomného správania sa axiálneho tlaku na zátku, dĺţky lisovacej
komory a koeficientu väzbového trenia, pomocou prepisu matematického modelu publikovaného v [2] do
počítačovej transkripcie. Umoţnilo nám to získať predpokladané hodnoty pre nami zvolené parametre
experimentu. Je zjavné, ţe oblasť skúmania bude ohraničená moţnosťami experimentálneho lisovacieho
zariadenia, a preto je vhodné vychádzať pravé z týchto dispozícií. Zrejmé je taktieţ, ţe je potrebné experiment
delimitovať podmienkami potrebnými pre efektívny spôsob lisovania. Sem patrí najmä obmedzenie minimálnej
dĺţky lisovacieho kanála, ktorá je nevyhnutnou podmienkou pre výdrţ tlaku a plastifikáciu lignínu v bunkových
štruktúrach látky. Zahrnutím všetkých ohraničení sme vytvorili graf (Obr. 4) umoţňujúci lepšie sledovať jednotlivé
závislosti.
Obr. 4 Závislosť axiálneho tlaku na zátku pri konštantnom priemere lisovacej komory od dĺţky lisovacej komory
a koeficientu väzbového trenia [4]
/ 71 /
Brno 2010
EXPERIMENT A VYHODNOTENIE
Experiment prebiehal na experimentálnom lisovacom stende (Obr. 5) s rôznymi veľkosťami lisovacích komôr
(Obr. 6). Pre získanie smerodajných, hodnoverných a relevantných údajov je potrebné vyhotoviť lisovacie hubice
s minimálne 4-mi rôznymi dĺţkami lisovacích komôr. Okrem uţ spomínanej dĺţky 140 mm, sme pouţili komory
s dĺţkami 120, 100 a 80 mm. Navrhované rozmery hubíc reflektujú na rozmerové moţnosti a obmedzenia
lisovacieho stendu. Taktieţ je tu limitácia maximálnej a minimálnej dĺţky z technologických poznatkov o lisovaní.
Minimálna dĺţka kanálu je ohraničená potrebou výdrţe na nevyhnutnú plastifikáciu lignínu a na druhej strane,
zväčšovaním dĺţky nad určitú hodnotu by podľa predpokladov došlo k neúmernému narastaniu veľkosti tlakov
a hrozilo by poškodenie celého zariadenia.
Obr. 5 Rez modelom experimentálneho Obr. 6 Lisovacie komory s rôznymi dĺţkami (zľava do prava –
lisovacieho stendu (1-lisovacia komora, 2- 120mm, 100 mm, 80 mm )
príruba, 3-plniaca hubica, 4-protitlaková
zátka, 5-lisovací piest, 6-lisovaný materiál )
Do lisovacích komôr boli vyvŕtané otvory pre uloţenie snímača teploty na reguláciu výhrevnej špirály, ktorá je na
stende osadená z dôvodu zmeny lisovacej teploty. Taktieţ boli k týmto komorám pripravené aj zodpovedajúce
dĺţky protitlakových zátok.
Lisovanie prebiehalo v dvoch modifikáciách – lisovanie na jedno naplnenie (Obr. 7), tu bol testovaný vţdy iba 1
výlisok a lisovanie na štyri naplnenia (Obr. 8), tu boli testované 4 výlisky. V kaţdej modifikácii prebiehalo lisovanie
postupne v štyroch lisovacích komorách (dĺţky 140, 120, 100 a 80 mm). V kaţdej lisovacej komore lisovanie
prebiehalo pri troch teplotných hladinách (20, 85 a 120 °C) a pri troch tlakových hladinách (95, 127 a 159 MPa).
Obr. 7 Lisovanie jedného výlisku
(na jedno naplnenie) [4]
Obr. 8 Lisovanie štyroch výliskov
(na štyri naplnenia) [4]
/ 72 /
Brno 2010
ρ [g/cm3]...
ρ [g/cm3]...
Výlisky získané pri týchto podmienkach boli zmerané a odváţené, bola vypočítaná ich hustota, boli podrobené
stabilizácii, následné opakované zistenie hustoty a priemerné hodnoty hustôt boli vynesené do grafických
závislostí. Grafické závislostí sú znázornené na nasledujúcich obrázkoch.
1,100
1,050
1,110
1,090
1,070
1,000
1,050
0,950
1,030
0,900
1,010
0,850
0,990
0,800
0,970
0,750
0,950
95
L80T20
105
L100T20
115
L120T20
125
135
145
L140T20
155
95
Tlak [MPa]
ρ [g/cm3]...
Obr. 9 Závislosť hustoty výliskov od lisovacieho tlaku pri
lisovacej teplote 20 °C a pri rôznych dĺţkach lisovacích
komôr [4]
L100T85
105
L120T85
115
125
135
L140T85
145
155
Tlak [MPa]
Obr. 10 Závislosť hustoty výliskov od lisovacieho
tlaku pri lisovacej teplote 85 °C a pri rôznych dĺţkach
lisovacích komôr [4]
1,110
1,090
1,070
1,050
1,030
1,010
0,990
0,970
0,950
95
L100T120
105
115
L120T120
125
L140T120
135
145
155
Tlak [MPa]
Obr. 11 Závislosť hustoty výliskov od lisovacieho tlaku pri Obr. 12 Výlisky počas doby stabilizácie
lisovacej teplote 120 °C a pri rôznych dĺţkach lisovacích
komôr [4]
Z predchádzajúcich závislostí moţno vyčítať, ţe vplyv dĺţky nie je natoľko významný a nevplýva na výslednú
kvalitu takým výrazným vplyvom ako teplota lisovania. Aj z tohto dôvodu je vidieť najvýraznejšie vplyv dĺţky, ako
konštrukčného parametra pri lisovaní bez vyhrievania stendu (Obr. 9). Z priebehov hustôt moţno konštatovať, ţe
skracovaním dĺţky lisovacieho kanálu rastie výsledná hustota. Jej hodnota sa nezvyšuje pri rozdielnych typoch
hubice rovnomerne. Pri pouţití hubice L140 prišlo najmä po dilatačnom procese výliskov k výraznejšiemu poklesu
hustoty. Tento fakt moţno pripísať slabšiemu previazaniu materiálu z dôvodu poklesu hodnôt tlakov zo
zvyšujúcou sa vzdialenosťou resp. hrúbkou výlisku. V kaţdej časti lisovacej komory pôsobia na zátku iné
radiálne tlaky, preto je nerovnaká dĺţka zátky ovplyvňujúcim faktorov pri tomto type experimentu a lisovania. Obr.
10 a 11 ukazujú, ţe pri lisovaní s teplotou je vplyv dĺţky na výslednú kvalitu skôr obrátený, ako pri lisovaní bez
teploty. Toto moţno zdôvodniť dlhšou dobou, ktorú strávi materiál v priestore hubice a dochádza k lepšej
plastifikácii lignínu v bunkových štruktúrach látky. Pri lisovaní bez teploty má hlavný podiel na výslednej hustote
hlavne lisovací tlak. Pri pouţití výhrevného zariadenia preberá túto pozíciu lisovacia teplota. Zistili sme, ţe
experiment tejto modifikácie nie je vhodný pre zistenie vplyvu dĺţky lisovacej komory na kvalitu výliskov.
Túto hypotézu potvrdzuje aj experiment, kde sme plnili hubicu štyrikrát, teda sme ju vţdy po zalisovaní
opakovane napĺňali. Po vytlačení zlisovaného stĺpca z hubice sme oddelili jednotlivé výlisky a vyhodnocovali ich
osve. Z priemerných hodnôt pre jednotlivé tlakové hladiny sme zostavili nasledujúce závislosti. Prvé tri výlisky
vykazovali len mierne výkyvy v hodnotách hustôt. Moţno pozorovať len veľmi mierne kolísanie. Pri výliskoch č. 4
uţ moţno pozorovať badateľný pokles. Tento jav moţno pripísať viacerým faktorom. Na výlisok č. 4 pôsobil
lisovací tlak len jeden krát, pričom na ostatné kompakty pôsobila sila opakovane podľa pozície. Druhým dôvodom
/ 73 /
Brno 2010
ρ [g/cm3]...
ρ [g/cm3]...
je čas, ktorý strávil materiál v komore. Posledné kusy sa nachádzali v hubici najkratšiu dobu a teda mali aj
najmenej času potrebného na vyrovnanie vnútorných napätí. Z týchto obrázkov jasne vyplýva, ţe hustota
v závislosti od poradia klesá, resp. s výškou zlisovaného stĺpca klesá. Toto nám potvrdzuje teóriu, ţe pre výlisok
je pozitívne a nutné aj pôsobenie tlakov pri pretláčaní a posúvaní výliskov v lisovacej komore, nielen pôsobenie
samotných axiálnych lisovacích tlakov.
1,150
1,100
1,150
1,100
1,050
1,050
1,000
1,000
0,950
0,950
0,900
0,900
0,850
0,850
0,800
0,800
1
2
3
P95 po
P127 po
P159 po
P95 pred
P127 pred
P159 pred
1
4
Poradie výlisku
2
3
4
Poradie výlisku
P95 po
P127 po
P159 po
P95 pred
P127 pred
P159 pred
ρ [g/cm3]...
ρ [g/cm3]...
Obr. 13 Porovnanie hustôt výliskov pred a po dilatácii pri Obr. 14 Porovnanie hustôt výliskov pred a po
rôznych tlakoch v závislosti od poradia zalisovania pri dilatácii pri rôznych tlakoch v závislosti od poradia
lisovacej komore L100 [4]
zalisovania pri lisovacej komore L120 [4]
1,200
1,150
1,100
1,150
1,100
1,050
1,050
1,000
1,000
0,950
0,950
0,900
0,900
0,850
0,850
0,800
0,800
1
2
3
P95 po
P127 po
P159 po
P95 pred
P127 pred
P159 pred
1
4
Poradie výlisku
2
3
P95 po
P127 po
P159 po
P95 pred
P127 pred
P159 pred
4
Poradie výlisku
Obr. 15 Porovnanie hustôt výliskov pred a po dilatácii pri Obr. 16 Porovnanie hustôt výliskov pred a po
rôznych tlakoch v závislosti od poradia zalisovania pri dilatácii pri rôznych tlakoch v závislosti od poradia
lisovacej komore L140 [4]
zalisovania – všetky lisovacie komory spolu [4]
1,1
Hustota [g/cm3]
Hustota [g/cm3]
1,1
1,05
1
0,95
1,05
1
0,95
0,9
0,9
0,85
0,85
0,8
0,8
0,75
0,75
95
105
115
125
135
145
155
Tlak [MPa]
95
105
115
125
135
145
155
Tlak [MPa]
Viacnasobne lisovanie pred dilataciou
Jedno lisovanie pred dilataciou
Viacnasobne lisovanie po dilataii
Jedno lisovanie po dilataii
Obr. 17 Porovnanie hustôt výliskov pri rôznych tlakoch Obr. 18 Porovnanie hustôt výliskov pri rôznych
pri viacnásobnom a jedno-násobnom zalisovaní pred a tlakoch pri viacnásobnom a jedno-násobnom
po dilatácii pre lisovaciu komoru L80 [4]
zalisovaní pred a po dilatácii pre lisovaciu komoru
L100 [4]
Zaujímavou analýzou je porovnanie priemerných hustôt výliskov pri viacnásobnom lisovaní s priemernou
hodnotou výliskov pri jedno násobnom lisovaní. Pre všetky nastavené tlakové hladiny bola kvalita výliskov
porovnateľne vyššia pri viacnásobnom zlisovaní. Tieto výlisky mali taktieţ menšiu dilatačnú zmenu. Pripisujeme
to práve spomínanej dobe zotrvania materiálu v priestore kanála a vyrovnávaniu vnútorných napätí. Z obr. 17 aţ
19 vidieť, ţe pri niţších tlakoch a kratších hubiciach je rozdiel medzi hustotami menší. Zvyšovaním dĺţky kanálu
/ 74 /
Brno 2010
tento rozdiel narastá a hustota výliskov sa v grafoch prikláňa v prospech lisovania na viac naplnení. Treba si však
uvedomiť, ţe tieto experimenty prebiehali v podmienkach zatvorenej vertikálnej lisovacej komory. Teda dĺţka
zlisovanej zátky sa po kaţdom naplnení a zalisovaní zmenší a tým sa menia tlakové podmienky pôsobiace na
zátku. V otvorených horizontálnych lisovacích komorách (zvyčajne pouţívané v praxi) sa dĺţka zlisovanej zátky
nemení a teda vţdy v kaţdom jednom mieste pôsobí na zlisovanú zátku rovnaký axiálny a radiálny tlak. Pre tieto
prípady je nutné dĺţku lisovacej komory optimalizovať.
1,1
Hustota [g/cm3]
Hustota [g/cm3]
1,1
1,05
1
1,05
1
0,95
0,95
0,9
0,9
0,85
0,85
0,8
0,8
0,75
0,75
95
105
115
125
135
145
95
155
Tlak [MPa]
105
115
125
135
145
155
Tlak [MPa]
Obr. 19 Porovnanie hustôt výliskov pri rôznych tlakoch pri Obr. 20 Porovnanie hustôt výliskov pri rôznych tlakoch
viacnásobnom a jedno-násobnom zalisovaní pred a po pri viacnásobnom a jedno-násobnom zalisovaní pred a
dilatácii pre lisovaciu komoru L120 [4]
po dilatácii pre lisovaciu komoru L140 [4]
ZÁVER
Na základe prezentovaných vykonaných analýz a získaných výsledkov z experimentov je jasne dokázaný vplyv a
dôleţitosť dĺţky lisovacej komory. Tento parameter ovplyvňuje tlakové pomery v lisovacej komore a tým aj
výslednú kvalitu (pevnosť, hustota) výliskov. Z dôvodu konštrukčných obmedzení experimentálneho lisovacieho
stendu však nebolo moţné stanoviť optimálnu dĺţku lisovacej komory. Je moţné ju však vypočítať na základe
vzťahov publikovaných v práci [2]. Bolo by vhodné a nutné vykonať experiment na zriadení, kde by bola moţná
zmena dĺţky vo väčšom rozmedzí ako to bolo v prípade nášho stendu. Bol dokázaný pozitívny vplyv lisovacej
teploty na tlakové pomery v lisovacej komore, vplyvom plastifikácie lignínu klesá koeficient väzbového trenia
medzi lisovanou zátkou a stenou lisovacej komory.
Poďakovanie:
„Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a
výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“
POUŢITÁ LITERATÚRA
1 KRIŢAN, P.: Proces lisovania drevného odpadu a koncepcia konštrukcie lisov, Dizertačná práca, SjF STU
v Bratislave, ÚSETM, Bratislava, júl 2009, s.150
2 HORRIGHS, W.: Control of ram extruders for obtaining steady compaction pressures, Journal for
preparation and processing Aufbereitungs-Technik, nr. 7/1987, Wiesbaden, 1987, ISSN 0004-783 X, p.
378-382
3 KRIŢAN, P.: Analýza a výskum matematických modelov zhutňovania drevnej biomasy, In.: Zborník
z medzinárodnej konferencie Energetika a ţivotní prostředí 2007, 26.-27.09.2007, Ostrava, Česká
Republika, ISBN 978-80-248-1586-2, str. 155-160
4 KOVÁČ, P.: Výskum vplyvu konštrukčných parametrov zhutňovacieho stroja na výslednú kvalitu výliskov,
Diplomová práca, ÚSETM SjF STU v Bratislave, 2010, s.84
/ 75 /
Brno 2010
/ 76 /
Brno 2010
TLAKOVÉ POMERY V KUŢEĞOVEJ LISOVACEJ KOMORE
Miloš Matúš, Peter Kriţan
Legislatívne prostredie v EÚ vytvára požiadavky na postupné nahrádzanie fosílnych zdrojov energie
obnoviteľnými zdrojmi. V podmienkach SR predstavuje najperspektívnejší obnoviteľný zdroj energie biomasa. Jej
potenciál v rámci OZE na Slovensku predstavuje 42 %, z čoho pre využívanie má najväčší význam tuhá forma
biomasy. Uvedené predpoklady vedú k nevyhnutnosti realizácie výskumu v oblasti spracovania tuhej formy
biomasy a jej transformácie do tuhého ušľachtilého biopaliva. Príspevok sa zaoberá technológiou zhutňovania
biomasy a predovšetkým teoretickou analýzou tlakových pomerov v lisovacej komore.
Kľúčové slová: biomasa, biopalivo, výlisok, lisovanie, lisovacia komora
VPLYV GEOMETRIE LISOVACEJ KOMORY NA PROCES LISOVANIA
V súčasnosti neexistuje mnoho prameňov a analýz, ktoré sa zaoberajú matematickým popisom procesu
briketovania, vplyvom jednotlivých parametrov tohto procesu na výslednú kvalitu výliskov a popisom tlakových
účinkov v lisovacej komore. Moţno konštatovať, ţe ucelenejšie matematické modely zahŕňajúce vplyv
predovšetkým konštrukčných parametrov na proces lisovania absentujú. Je zrejmé, ţe podrobný výskum vplyvu
všetkých konštrukčných parametrov na proces lisovania a na výslednú dosahovanú kvalitu výliskov je veľmi
rozsiahly a vyţaduje si podrobný rozbor danej problematiky. Najvýraznejší vplyv na proces lisovania majú
geometrické parametre lisovacej komory, t.j. tvar a rozmery (priemer, dĺţka, kuţeľovitosť komory, odstupňovanie
jednotlivých tvarových častí atď.). Špecifikácie pouţívaných geometrií lisovacích komôr v matriciach peletovacích
lisov sú znázornené na obr. 1. Kaţdý tvar lisovacej komory je špecifický pre iný druh lisovanej biomasy, alebo pre
jeden druh s rôznou štruktúrou, s rôznym pouţitým spojivom atď. Preto je potrebné venovať sa pri výskume
zhutňovania biomasy vplyvu konštrukčných parametrov na zhutňovací proces a na dosahovanú kvalitu produkcie.
Výskum a optimalizácia v oblasti geometrie lisovacej komory pre zhutňovanie biomasy je ţiaduca predovšetkým
pre úspešný proces lisovania, pre zvýšenie energetickej efektívnosti procesu zhutňovania a súčasne pre
dosiahnutie poţadovanej kvality produkcie.
Obr. 1 Špecifikácia pouţívaných geometrií lisovacích komôr pri peletovaní biomasy
a) normálna, b) hlboká, c) plochá, d) studňová, e) valcová, f) kuţeľová, g) stupňovitá
Tlakové pomery vo valcovej lisovacej komore pri jednoosom lisovaní
Na základe teórie jednoosového lisovania v uzavretej lisovací komore môţeme analyzovať vplyv zmeny dĺţky
lisovacej komory. Priemer lisovacej komory má v súčinnosti s jej dĺţkou významný vplyv tak na samotné
vlastnosti výlisku ako paliva, ako aj na opotrebenie nástrojov. Pri výliskoch platí, ţe pre pomalé vyhorenie, čo je
u paliva ţiaducou vlastnosťou, musí byť pomer povrchu k objemu čo moţno najmenší. Rovnako pri lisovacích
nástrojoch je predpoklad, ţe čím je menší pomer povrchu výlisku k objemu, tým je opotrebenie nástrojov menšie.
Preto je ţiaduce, ak je to moţné, hľadať i optimálne rozmery výlisku z rôznych hľadísk. Avšak priemer lisovacej
komory (totoţný s priemerom výlisku) väčšinou býva na základe vonkajších podnetov (trh, účel pouţitia, atď.)
pevne stanovený.
Ing. Miloš Matúš, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected]
/ 77 /
Brno 2010
Tlakové pomery v uzavretej lisovacej komore pri jednoosom lisovaní, kde protitlak je vyvolaný zátkou, sú
znázornené na obr. 2. Tlakové pomery v lisovacej komore medzi piestom a zátkou, moţno vysvetliť na elemente
lisovaného materiálu dx, pričom sa jeho hmotnosť počas lisovacieho procesu zanedbá.
Z tlakových pomerov vo valcovej lisovacej komore moţno napísať rovnicu pre rovnováhu síl:
pa
pa
dP
4
dpa
2
(1)
pr d p dx 0
Pri lisovaní sypkých materiálov sa väčšinou vychádza z anizotropie tlaku (vyššie tlaky sú v smere kolmom).
Pomer hlavných napätí (radiálnych σr / axiálnych σa) sa označuje ako zvyškový tlakový koeficient alebo
horizontálny lisovací pomer λ. Pre disperzné materiály nadobúda λ hodnoty od 0 po 1.
r
a
pr
pa
pr
pa
(2)
pap – axiálny tlak piesta (MPa)
pp – protitlak v lisovacom puzdre (MPa)
pr – radiálny tlak (MPa)
pa – axiálny tlak na zátku (MPa)
Obr. 2 Tlakové pomery v lisovacej komore pri jednoosom lisovaní
Po dosadení vzťahu (2) do rovnice (1) a pre jej okrajové podmienky: x
dostaneme výsledný vzťah:
0, pa
pap , x
L p , pa
pp
4. . . L p
pap
p p .e
dp
(MPa)
(3)
Táto rovnica (3) udáva vzťah medzi tlakom piesta a protitlakom pôsobiacim na lisovaný materiál. Tento vzťah
moţno uplatniť aj pri lisovaní v otvorenej lisovacej komore, kde protitlak je tvorený statickým trecím odporom
medzi uţ zlisovaným materiálom pretláčaným cez lisovaciu komoru a stenami tejto komory. Zo vzťahu moţno
ďalej vychádzať aj pri určovaní veľkosti potrebného protitlaku na lisovaciu operáciu a určenie statického trecieho
odporu pretláčaného stĺpca, ktorý uţ bol zlisovaný. Kombináciou súčiniteľa trenia a dĺţky lisovacej komory teda
vieme zabezpečiť potrebný protitlak pri otvorených lisovacích komorách.
/ 78 /
Brno 2010
Vychádzajúc zo vzťahu (3) je zrejmé, ţe zväčšovaním dĺţky lisovacej komory exponenciálne rastie protitlak na
lisovaný materiál. Naopak, zmenšovaním priemeru lisovacej komory protitlak exponenciálne klesá. Moţno
konštatovať, ţe dĺţka lisovacej komory a taktieţ jej priemer majú podľa matematického modelu výrazný vplyv na
výslednú kvalitu výliskov ako aj na energetickú efektívnosť. Preto je nutné uvaţovať o experimentálnom overení
týchto výsledkov a hľadať ich optimalizáciu.
Tlakové pomery pri lisovaní v kuţeğovej lisovacej komore
Kuţeľovitosť steny lisovacej komory je veľmi významným parametrom, ktorý výraznou mierou ovplyvňuje veľkosť
lisovacieho tlaku, a tým aj výslednú kvalitu výliskov. Pri pretláčaní lisovaného materiálu cez kuţeľovú komoru
dochádza k viacosovému lisovaniu, a teda aj k zvýšeniu kvality výliskov v podobe vyššej hustoty ako aj jeho
mechanických vlastností, ale zároveň dochádza k vyššiemu opotrebeniu nástrojov. Taktieţ zvyšovaním
lisovacieho tlaku sa zvyšuje energetická náročnosť procesu lisovania. Z tohto dôvodu je potrebná podrobná
matematická analýza ako ja experimentálna verifikácia a následná optimalizácia geometrie lisovacej komory. Pri
zhutňovaní s pouţitím kuţeľovej lisovacej komory sa dosahujú podstatne kvalitnejšie výlisky ako pri zhutňovaní
s pouţitím valcovej lisovacej komory. Neplatí však pravidlo, ţe čím je väčší vrcholový kuţeľ komory, tým je lepšia
kvalita výlisku. To dáva predpoklad existencii závislosti medzi veľkosťou vrcholového uhla lisovacej komory
a lisovacím tlakom s ohľadom na dosahovanú kvalitu výliskov. Je teda na mieste zaoberať sa hľadaním
optimálnych hodnôt týchto veličín. Pre určenie tejto závislosti je potrebné vhodným spôsobom popísať samotný
lisovací proces a rozloţenie tlakov v priestore lisovacej komory. Tieţ je potrebné v procese lisovania zabezpečiť
tzv. fázu výdrţe, kedy výlisok ostáva po zlisovaní ešte určitú dobu pod tlakom. Počas tejto fázy výlisok chladne
a tuhne. Táto fáza výdrţe sa dosahuje vo valcovej kalibračnej časti komory.
Pre analýzu vplyvu kuţeľovitosti stien lisovacej komory vyuţijeme základný tvar lisovacej komory (obr. 3), ktorá
pozostáva z troch častí. Takýto typ lisovacej komory je často vyuţívaný v konštrukciách zhutňovacích strojov.
Obr. 3 Základné časti a rozmery kuţeľovej lisovacej komory
Valcová časť (2) slúţi ako zásobník lisovaného materiálu pre proces lisovania. Do tejto časti je privádzaný
materiál, ktorý sa vplyvom vonkajšej sily vyvodenej lisovacím piestom (1) začína zhutňovať. V kuţeľovej časti (3)
dochádza vplyvom vonkajšej sily a vplyvom kuţeľového tvaru k viacosovému zhutneniu materiálu. Valcová
kalibračná časť (4) dáva výlisku konečný tvar. Výlisok je tu drţaný určitú dobu pod tlakom. Táto doba výdrţe je
/ 79 /
Brno 2010
nutná súčasť lisovacieho procesu, kvôli zmenšeniu vplyvu vznikajúcich dilatácií. Rozmery výlisku, ktorý vychádza
cez valcovú kalibračnú časť komory sa uţ menia len veľmi málo. Vďaka kalibračnej časti (4) lisovacej komory
získava výlisok z biomasy vyššiu mechanickú odolnosť a kvalitný povrch bez porúch.
Na obrázku 4 sú uvedené tlakové pomery počas lisovania v kuţeľovej časti komory. Pri popise tlakových
pomerov zanedbávame hmotnosť lisovaného materiálu. Maximálny dosiahnutý tlak PK, ktorý vzniká pri pretláčaní,
závisí od dĺţky, tvaru lisovacieho kanála, veľkosti vrcholového uhla kuţeľovej časti lisovacej komory a pomerov
trenia medzi lisovaným materiálom a materiálom komory. Trecí odpor je daný radiálnym tlakom PR a priečnou
zloţkou tlaku PM pôsobiaceho na stenu kanála, koeficientom väzbového trenia µ a dĺţkou kanála L. Priemer
kanála sa lineárne zmenšuje v závislosti od dĺţky L.
Pk – axiálny tlak piesta (MPa)
PR – radiálny tlak (MPa)
PG – protitlak v lisovacej komore (MPa)
PM – axiálny tlak na zátku (MPa)
d0 – priemer lisovacej komory na vstupe (mm)
d1 – priemer lisovacej komory na výstupe (mm)
d – priemer lisovacej komory v priereze (mm)
μ – koeficient trenia (-)
L – dĺţka kuţeľovej časti lisovacej komory (mm)
Obr. 4 Tlakové pomery v kuţeľovej lisovacej komore
Pre popis procesu lisovania vychádzame z popisu pôsobenia tlakov na elementárny zrezaný kuţeľ hrúbky dx. Vo
zvislom smere pôsobí lisovací tlak PM, v smere opačnom označíme vyvolaný protitlak PM + dPM. Z dôvodu
pôsobenia trenia vzniká tlak kolmý na steny kanála PR. Ten spolu s časťou priečnej zloţky lisovacieho tlaku
vyvolá trenie pôsobiace pozdĺţ stien lisovacieho kanála. Za predpokladu priaznivých podmienok trenia je tlak na
steny zásobníka značne menší ako osový.
Obr. 5 Priestorové rozloţenie tlakov na elementárny zrezaný kuţeľ
/ 80 /
Brno 2010
Pre vytvorenie rovnováţnych rovníc potrebujeme poznať veľkosti plôch, na ktoré pôsobia jednotlivé tlaky.
Pre obsah povrchu plášťa zrezaného kuţeľa platí:
S PL
Kde:
1
2
d0
d1 s
(mm2)
(4)
s – dĺţka spojnice podstáv (mm),
d0 – priemer vrchnej podstavy (mm),
d1 – priemer spodnej podstavy (mm).
cos
L
s
s
L
cos
(5)
Pre povrch plášťa elementárneho zrezaného kuţeľa bude na základe obr. 5 platiť:
dS PL
1
(d (d 2.dx. tan )).ds
2
Analogicky pre ds podľa (4) a obr. 6: cos
dx
ds
(6)
ds
dx
cos
(7)
Obr. 6 Vyjadrenie základných rozmerov elementárneho zrezaného kuţeľa
Dosadením vzťahu (7) do (6) dostaneme:
dS PL
(d dx. tan )
dx
cos
(8)
Plošný obsah podstáv elementárneho zrezaného kuţeľa sa bude exponenciálne meniť v smere lisovania. Pre
vrchnú podstavu moţno napísať vzťah (9), pre spodnú podstavu (10):
SV 1
1 2
d (mm2)
4
(9)
SV 2
1
(d 2.dx. tan ) 2 (mm2)
4
(10)
/ 81 /
Brno 2010
Vzťah pre výpočet plochy medzikruţia, na ktoré bude pôsobiť tlak ovplyvnený kuţeľovitosťou komory:
SV
SV 1 SV 2
1
(d 2 (d 2.dx. tan ) 2 )
4
(d dx. tan ).dx. tan
(mm2)
(11)
Rozloţením tlakových polí PM a PR a popísaním reakcií v pôsobiskách môţeme znázorniť pôsobenie tlakov a ich
reakcie. Nakoľko je moţné predpokladať, ţe rozloţenie tlakov po obvode bude rovnomerné, je moţné pre
zjednodušenie preniesť popis do roviny (obr. 7).
Obr. 7 Rozloţenie tlakov na elementárny zrezaný kuţeľ v rovine
Obr. 8 Rozbor tlakov na jednotlivé
plochy
Pre napísanie rovníc rovnováhy je potrebné priradiť k pôsobiacim tlakom plochy ich pôsobenia. Na základe
tlakového rozboru na obr. 8 je moţné napísať nasledovnú rovnicu pre rovnováhu síl (v smere osi lisovacej
komory):
PM SV 2
PM SV
( PM
dPM ) SV 2
PR
PM sin
dSPL cos
(12)
0
Rovnica (12) dostáva po úprave tvar:
PM SV
dPM SV 2
PR
PM sin
dS PL cos
(13)
0
Po dosadení vzťahov (8), (10), a (11) do rovnice (13) a vyjadrením tlaku PR na základe teórie lisovania sypkých
látok vychádzajúc z anizotropie tlaku a jeho dosadením do rovnice (13) a následnej úprave dostávame tvar
rovnováţnej rovnice popisujúcej zmenu tlakových pomerov v kuţeľovej lisovacej komore v závislosti od dĺţky
komory a vrcholového uhla:
PM d
dx. tan
tan .dx
1
d
4
2dx. tan
2
dPM
PM
sin
d
dx. tan
dx
0
(14)
Pre ďalšiu úpravu uvedenej rovnováţnej rovnice bude potrebné v budúcom priebehu výskumu stanoviť okrajové
podmienky a stanoviť si jej výsledný tvar vhodný pre následné optimalizačné metódy. Výsledkom teda bude
vzťah popisujúci vplyv geometrie lisovacej komory (priemer komory, dĺţka komory a veľkosť vrcholového uhla
kuţeľovej časti) na potrebný lisovací tlak pre dosiahnutie ţelanej kvality (hustoty) výlisku.
Uvedený vzťah (14) vychádza z rovnice rovnováhy síl v kuţeľovej časti lisovacej komory. V praxi sa v súčasnosti
vyuţívajú pre rôzne druhy lisovanej biomasy rôzne tvary lisovacích komôr skladajúce sa prevaţne z kuţeľových
a valcových častí. Ďalším smerom výskumu bude teoretický popis tlakových pomerov v lisovacích komorách
rôznych tvarov vyskladaných z kombinácie valcových plôch, kuţeľových plôch, guľových, parabolických atď.
/ 82 /
Brno 2010
Cieľom komplexného výskumu je matematický model tlakových pomerov v lisovacej komore s ľubovoľným
tvarom a zároveň optimalizácia tohto tvaru vzhľadom k energetickým nákladom na lisovanie a k dosahovanej
kvalite výliskov. Experimentálne overenie získaného matematického modelu umoţní pre rôzne druhy biomasy
a rôzne technologické podmienky navrhnúť optimálnu geometriu lisovacej komory z energetického hľadiska
a z hľadiska poţadovanej kvality výliskov.
ZÁVER
Kvalita výliskov je rozhodujúci faktor na trhu s biopalivami. Na to, aby bolo moţné dosiahnuť výlisky
s poţadovanými mechanickými ukazovateľmi kvality, ale pri vynaloţení minimálnych energetických nákladov, je
potrebné podrobne analyzovať celý proces zhutňovania biomasy. Najviac premenných do procesu zhutňovania
prináša samotný materiál, jeho druh, štruktúra, chemické zloţenie, mechanické vlastnosti, vlhkosť. Pre kaţdý
druh zhutňovaného materiálu je potrebné hľadať a nastavovať vhodné technologické parametre pre dosiahnutie
poţadovanej kvality výliskov. Rovnako s kaţdým druhom lisovaného materiálu je potrebné hľadať a upravovať aj
konštrukčné parametre produkčných strojov. Konštrukčné parametre rozhodujúcou mierou ovplyvňujú výslednú
kvalitu biopaliva, ale zároveň ovplyvňujú aj náklady na výrobu týchto biopalív. Správna voľba konštrukčných
parametrov je podmienkou vzniku výliskov vysokej kvality. Preto je potrebné sa zaoberať hĺbkovou analýzou
týchto parametrov, experimentálnymi skúškami a následne verifikáciou návrhov opatrení. Pre kaţdý druh
zhutňovaného materiálu bude potrebné opakovať celý výskum, avšak postupným napĺňaním databázy výsledkov
a ich aplikovaním v praxi bude moţné výrazne prispieť k progresii vo výrobe výliskov nielen z biomasy pri
zniţovaní výrobných a investičných nákladov.
Poďakovanie:
Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba
prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
POUŢITÁ LITERATÚRA:
[1] HORRIGHS, W. Determining the dimensions of extrusion presses with parallel-wall die channel for the
compaction and conveying of bulk solids. In Aufbereitungs-Technik : Magazine. Duisburg, 1985, no. 12.
[2] MATÚŠ M., KRIŢAN P.: Influence of structural parameters in compacting process on quality of biomass
pressings. In. International conference APLIMAT 2010, Bratislava, ISBN 978-80-89313-47-1, str. 343 – 351.
[3] PEREZ, E.: Module – Pellets press components (rolls, dies, knives, feeder), The Agricultural University of
Norway, online, citované zo dňa 05.05.2009, 8:31, www.mataminc.com/pdfs/How%20Pellets%20are%20Made.pdf
/ 83 /
Brno 2010
/ 84 /
Brno 2010
METODOLÓGIA HODNOTENIA KVALITY TUHÝCH UŠĞACHTILÝCH BIOPALÍV
Miloš Matúš, Peter Kriţan, Ğubomír Šooš
Napriek silnej podpore využívania OZE bráni absencia národnej a európskej legislatívy v oblasti tuhých
ušľachtilých biopalív vyrobených z fytomasy vstupu tohto produktu na trh s palivami. Príspevok definuje tuhé
ušľachtilé biopalivo v rámci klasifikácie skupiny tuhých palív. Cieľom je špecifikácia kritérií na hodnotenie kvality
tuhých ušľachtilých biopalív vyrábaných nielen z dendromasy, ale aj fytomasy, ďalej zdôvodnenie významnosti
jednotlivých kritérií ako aj stanovenie ich limitných hodnôt pre vykurovacie pelety z biomasy.
Kľúčové slová: biomasa, biopalivo, brikety, pelety, štandardizácia palív
ÚVOD
Energetika je neodmysliteľnou súčasťou fungovania kaţdej spoločnosti. Je potrebné si jasne uvedomiť, ţe časy
lacnej energie pre Slovensko, Európu, či väčšinu sveta sú uţ minulosťou. Pritom nečelíme len vyšším cenám
energie, ale aj stále rastúcej závislosti od dovozu energií a problému klimatických zmien. Dostatok energie na
jednej strane a kvalitné ţivotné prostredie na strane druhej, to sú dva limitné faktory trvalo udrţateľného rastu
zvyšovania ţivotnej úrovne a kvality ţivota. Celková spotreba energie je jedným z určujúcich faktorov miery
vplyvu energetiky na ţivotné prostredie. Preto je nevyhnutné zabezpečiť harmonický vzťah energetiky a
ţivotného prostredia najmä cestou zavedenia nových technológií, ktorými zabezpečíme aj postupný prechod od
vyuţívania neobnoviteľných zdrojov energie k vyuţívaniu nových alternatívnych zdrojov energie. Do biomasy
určenej na energetické vyuţitie sa vkladajú nádeje, ţe sa stane alternatívnym obnoviteľným zdrojom energie
a postupne nahradí podstatnú časť miznúcich, neobnoviteľných klasických zdrojov energie. Je to najmä preto, ţe
ako organická hmota rastlinného pôvodu získavaná na báze fotosyntézy, je zo všetkých foriem obnoviteľných
zdrojov energie (slnko, voda, vietor,...) minimálne závislá na zmene počasia, striedaní ročných období a je
najľahšie skladovateľná. Biomasa v SR má najväčší technický potenciál (163,2 PJ), ktorý predstavuje 20,4 %
z ročnej spotreby energie SR. Má veľkú perspektívu pri výrobe tepla pre vykurovanie najmä v centrálnych
vykurovacích systémoch vo forme drevných štiepok a slamy a v domácnostiach vo forme peliet a brikiet. Veľmi
pozitívny je vplyv biomasy na ţivotné prostredie. Ten sa na jednej strane prejavuje v tom, ţe biomasa je CO2
neutrálna, a teda nevyvoláva klimatické zmeny, na strane druhej energetickým zhodnocovaním organického
odpadu sa nezvyšuje zapĺňanie skládok.
Výroba tuhých ušľachtilých biopalív je vhodnou cestou ako energeticky efektívne zhodnotiť biomasu a ďalší
organický odpad. Palivo v 21. storočí musí okrem energetických a ekonomických kritérií spĺňať aj
environmentálne kritériá. Samozrejmou poţiadavkou je vysoký komfort pri skladovaní, nakladaní s palivom
a bezpečnosti pri jeho spaľovaní. Moderný energonosič musí mať tieţ rovnomernú veľkosť frakcie, hustotu,
vlhkosť, tvar vhodný pre dopravu, skladovanie a spaľovanie, poţadované fyzikálno-mechanické vlastnosti.
Technológiami transformujúcimi biomasu do formy tuhých ušľachtilých biopalív s poţadovanými vlastnosťami sú
technológie zhutňovania.
Jednou z ciest ako efektívne energeticky zhodnotiť tuhý odpad, je jeho dezintegrácia, úprava na poţadovanú
vlhkosť, homogenizácia a nakoniec zhutnenie. Medzi známe technológie zhutňovania materiálov môţeme zaradiť
briketovanie, peletovanie a kompaktovanie. Rozdiel medzi uvedenými technológiami je vo veľkosti a tvare výlisku
a v procese vzniku výliskov. Hustota energonosiča limituje komfort pri preprave a minimalizuje náklady na
dopravu a skladovanie. Produkt zhutnenia – výlisok je potom moţné tak materiálovo, ako aj energeticky
zhodnotiť. Takto upravené palivo má neobmedzenú stálosť bez biodegradovateľných procesov.
Obmedzenia, ktoré bránia energetickému vyuţívaniu širšej skupiny odpadov, spočívajú v súčasnej legislatíve,
pretoţe výlisky vyrobené z iného ako drevného odpadu nie sú definované ako palivo. V súčasnosti neexistuje
národná alebo európska legislatíva, ktorá by takéto palivo definovala. Treba si tieţ uvedomiť, ţe pre priame
energetické zhodnocovanie – spaľovanie sú vhodné len ušľachtilé biopalivá vyrobené z biomasy (dendromasy a
fytomasy). Z tohto dôvodu sme boli oslovení Slovenskou agentúrou ţivotného prostredia, aby sme vypracovali
návrh kritérií pre udelenie národnej environmentálnej značky pre skupinu produktov "vykurovacie pelety z
biomasy", avšak vyrobené nielen z dendromasy, ale aj fytomasy. (Pre biopalivo z dendromasy ani fytomasy zatiaľ
v SR neexistujú ţiadne platné normatívy; v zahraničí existujú, avšak len pre biopalivo z dendromasy.)
Ing. Miloš Matúš, Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Nám. slobody 17, 812 31 Bratislava, [email protected]
/ 85 /
Brno 2010
KLASIFIKÁCIA TUHÝCH PALÍV
V poslednom čase sa stále viac stretávame s poţiadavkami energeticky zhodnocovať aj iné druhy odpadov ako
je drevná a trávnatá biomasa. Pritom je nevyhnutné zabezpečiť harmonický vzťah vplyvov energetického
zhodnocovania odpadov na kvalitu ţivotného prostredia najmä cestou zavedenia najlepších dostupných
technológií (BAT), ktoré budú vyuţívať alternatívne zdroje energie, teda technológií, ktoré budú účinne a bez
ďalších vplyvov na ţivotné prostredie energeticky zhodnocovať inak nevyuţiteľný odpad a zároveň budú
dostatočne spoľahlivé. Takýmito technológiami je kogenerácia, skvapalňovanie či splyňovanie.
Odpady, ktoré môţeme vyuţiť ako alternatívne energonosiče, môţeme rozdeliť nasledovne:
1/ podľa vplyvu na ţivotné prostredie:
- nebezpečné odpady, označené písmenom „N“,
- ostatné odpady, označené písmenom „O“.
2/ podľa druhu suroviny na:
- biologické (dendromasa, fytomasa, zoomasa),
- syntetické, (termoset, termoplast, guma)
- zmesové, (tuhý komunálny odpad, kaly z ČOV, ...).
3/ podľa stupňa zušľachtenia a kvality tuhého paliva, obr. 1.:
- tuhé palivá (uhlie, rašelina),
- tuhé biopalivá, (neupravený drevný odpad, poľnohospodársky odpad),
- tuhé ušľachtilé palivá (výlisky z papiera, plastov, zmesové palivá),
- tuhé ušľachtilé biopalivá (výlisky z dreva, slamy, poľnohospodárskych produktov).
Z obrázka 1. je zrejmé, ţe so zvyšovaním úpravy paliva rastie jeho kvalita.
Obr. 1 Rozdelenie tuhých palív
/ 86 /
Brno 2010
ŠTANDARDIZÁCIA TUHÝCH UŠĞACHTILÝCH BIOPALÍV
Na základe poţiadavky Slovenskej agentúry ţivotného prostredia sme pripravili špecifikáciu základných kritérií
pre klasifikáciu a posudzovanie tuhých ušľachtilých biopalív - vykurovacích peliet z biomasy. Pri dodrţaní
základných legislatívnych poţiadaviek a špecifických poţiadaviek vzťahujúcich sa na druh suroviny pouţitej na
výrobu takéhoto ušľachtilého biopaliva a dodrţaní niţšie uvedených limitných hodnôt sledovaných parametrov
biopaliva vyplýva pre výrobcu nárok na udelenie národnej environmentálnej ceny.
Základné poţiadavky
Tuhé ušľachtilé biopalivá uvádzané na trh v Slovenskej republike musia spĺňať poţiadavky príslušných
technických noriem, všeobecne záväzných predpisov v oblasti ochrany zdravia ľudí, bezpečnosti, ochrany
spotrebiteľa, v oblasti chemických látok a chemických prípravkov na trhu a v oblasti právnych predpisov
týkajúcich sa ochrany a starostlivosti o ţivotné prostredie, vzťahujúce sa na produkt, jeho výrobu, pouţívanie a
zneškodnenie.
Dokumenty pojednávajúce o emisiách a emisných limitoch v SR:
-
-
Príloha č. 5 k vyhláške č. 706/2002 Z. z. veličiny, jednotky a prepočtové vzťahy, ktorými sú vyjadrené
emisné limity;
Vyhláška MŢP SR č. 706/2002 Z. z. o zdrojoch znečistenia ovzdušia, o emisných limitoch, o technických
poţiadavkách a všeobecných podmienkach prevádzkovania, o zozname znečisťujúcich látok, o
kategorizácii zdrojov znečisťovania ovzdušia a o poţiadavkách zabezpečenia rozptylu emisií
znečisťujúcich látok;
Vyhláška MŢP SR č. 575/2005 ktorou sa mení a dopĺňa vyhláška MŢP SR č. 706/2002 Z.z.;
Zákon č. 571/2005 Z. z. ktorým sa dopĺňa zákon č. 478/2002 Z. z. o ochrane ovzdušia;
Zákon č. 478/2002 Z.z. o ochrane ovzdušia;
Vyhláška MŢP SR č. 408/2003 Z. z. o monitorovaní emisií a kvality ovzdušia;
Vyhláška MŢP SR č. 53/2001 Z. z. ktorou sa ustanovujú poţiadavky na kvalitu palív a vedenie evidencie
o palivách;
Vyhláška č. 407/1992 Zb. Slovenskej komisie pre ţivotné prostredie z 8.jula 1992, ktorou sa upravuje
zoznam kategorizácie zdrojov znečisťovania a zoznam znečisťujúcich látok a ich limity a ustanovujú
podrobnosti pri určovaní emisných limitov pre jestvujúce zdroje znečisťovania ovzdušia.
Špecifické poţiadavky
Vykurovacie pelety z biomasy spĺňajúce podmienky na udelenie národnej environmentálnej značky musia byť
vyrobené z nasledovných dvoch skupín surovín a musia spĺňať limitné hodnoty sledovaných parametrov uvedené
pre kaţdú skupinu osobitne.
Surovina – dendromasa:
-
-
produkty lesníctva (kusové drevo, drevná štiepka);
odpady z lesníctva (zvyšky po ťaţbe dreva, iný drevný odpad z lesníctva);
drevný odpad z drevospracujúceho priemyslu (kusový drevný odpad, drevné piliny, drevné hobliny,
drevný prach, iný drevný odpad z drevospracujúceho priemyslu);
drevené odpady s výnimkou drevených odpadov, ktoré môţu obsahovať organické halogénové
zlúčeniny alebo ťaţké kovy, ako výsledok ošetrenia dreva konzervačnými prostriedkami alebo
náterovými hmotami a ktoré zahrňujú najmä také drevené odpady, ktoré pochádzajú zo stavieb
a odpadov z demolácií;
zámerne pestované energetické rastliny - dreviny pre energetické vyuţitie;
drevný odpad zo sadov, viníc a záhrad;
komunálny drevný odpad;
korkové odpady;
drevné náplavy a nálety.
/ 87 /
Brno 2010
Špecifikácia sledovaných parametrov a ich limitné hodnoty pre vykurovacie pelety z dendromasy sú uvedené v
tabuľke č. 1.
Tab. 1 Špecifikácia sledovaných parametrov a ich limitné hodnoty pre vykurovacie pelety z dendromasy
MERANÁ VELIČINA
výhrevnosť
celková voda
Jednotka
Odporúčaná
hodnota
MJ/kg
> 18
%
<10
Navrhnutá norma
skúšky
DIN 51900 - 1,2,3;
STN ISO 1928;
DIN 51718;
STN 44 1377
Pouţitý postup, resp. metóda
Kalorimetrická metóda
Metóda energodisperznej
röntgenfluorescenčnej
spektrometrie;
Metódou Eschka;
Metódou elementárnej analýzy;
celková síra
%
< 0,04
DIN 51724 - 1;
STN 441379;
STN P CEN/TS
15289
obsah popola
%
< 0,5
DIN 51719;
STN ISO 1171;
STN 44 1312
Meranie rádiometrickým
analyzátorom
dusík
%
< 0,3
STN ISO 333
Semi-mikro Kjeldahlova
metóda;
Metóda elementárnej analýzy
chlór
%
< 0,02
arzén
mg/kg
< 0,8
kadmium
mg/kg
< 0,5
chróm
mg/kg
<8
meď
mg/kg
<5
olovo
mg/kg
< 10
zinok
mg/kg
< 100
extr.org.viaz.halog.
mg/kg
<3
hustota
kg/dm3
>1,12
sypná hustota
objem aditív (lisovacích
prísad)
kg/dm3
>0,500
%
<2
%
< 2,3
*oter
DIN 51727;
STN ISO 587;
STN P CEN/TS
15289
BB 22022 - 1,2,3,6
STN 44 1362
BB 22022 - 1,2,3,6
STN 441392
Stanovenie chlóru Eschkovou
zmesou
Metóda plameňovej AAS
spektrometrie
spektrometrie
spektrometrie
spektrometrie
DIN 38414 – 17
STN ISO 562
DIN 52182;
STN 44 1321;
STN 44 1322
STN 44 1324
STN 44 1309
(brikety)
ÖNORM M 7135
/ 88 /
Metóda coulometrie
Garyho prístroj
Lignotester LT - II (pelety)
*mechanická odolnosť
Brno 2010
%
≥ 97,5
(pelety)
STN P CEN/TS
15639 (pelety)
Zariadenie na meranie
mechanickej odolnosti
* merať jeden z uvedených parametrov
Surovina – fytomasa:
- výrobky poľnohospodárstva;
- rastlinné odpady z poľnohospodárstva;
- rastlinné odpady z potravinárskeho priemyslu;
- zámerne pestované poľnohospodárske produkty pre energetické vyuţitie;
- zámerne pestované energetické traviny;
- ovocná biomasa;
- komunálna fytomasa.
Špecifikácia sledovaných parametrov a ich limitné hodnoty pre vykurovacie pelety z fytomasy sú uvedené v
tabuľke č. 2.
Tab. 2 Špecifikácia sledovaných parametrov a ich limitné hodnoty pre vykurovacie pelety z fytomasy
MERANÁ VELIČINA
výhrevnosť
celková voda
Jednotka
Odporúčaná
hodnota
MJ/kg
> 18
%
<10
Navrhnutá norma
skúšky
DIN 51900 - 1,2,3;
STN ISO 1928;
DIN 51718;
STN 44 1377
Pouţitý postup, resp. metóda
Kalorimetrická metóda
spektrometrie;
Metódou Eschka;
Metódou elementárnej analýzy;
celková síra
%
< 0,25
DIN 51724 - 1;
STN 441379;
STN P CEN/TS
15289
obsah popola
%
<6
DIN 51719;
STN ISO 1171;
STN 44 1312
Meranie rádiometrickým
analyzátorom
dusík
%
<3
STN ISO 333
Semi-mikro Kjeldahlova
metóda;
Metóda elementárnej analýzy
chlór
%
< 0,1
arzén
mg/kg
< 1,1
kadmium
mg/kg
< 0,5
chróm
mg/kg
<8
meď
mg/kg
<7
olovo
mg/kg
< 10
DIN 51727;
STN ISO 587;
STN P CEN/TS
15289
BB 22022 - 1,2,3,6
STN 44 1362
BB 22022 - 1,2,3,6
STN 441392
Stanovenie chlóru Eschkovou
zmesou
spektrometrie
spektrometrie
spektrometrie
/ 89 /
Brno 2010
zinok
mg/kg
< 100
extr.org.viaz.halog.
mg/kg
<3
hustota
kg/dm3
>1,12
sypná hustota
objem aditív (lisovacích
prísad)
kg/dm3
>0,500
%
<2
*oter
%
< 2,3
*mechanická odolnosť
%
≥ 97,5
spektrometrie
DIN 38414 – 17
STN ISO 562
DIN 52182;
STN 44 1321;
STN 44 1322
STN 44 1324
STN 44 1309
(brikety)
ÖNORM M 7135
(pelety)
STN P CEN/TS
15639 (pelety)
Metóda coulometrie
Garyho prístroj
Lignotester LT - II (pelety)
Zariadenie na meranie
mechanickej odolnosti
* merať jeden z uvedených parametrov
Ako aditívum (lisovacia prídasa) pre obe uvedené skupiny surovín môţu byť pouţité len produkty z
poľnohospodárskej a lesnej biomasy, ktorá nie je chemicky modifikovaná. Chemicky nemodifikované produkty z
poľnohospodárskej a lesnej biomasy (napr. celozrnná kukuričná múka, kukuričný škrob a raţná múka) môţu byť
pomiešané zo základným materiálom pre uľahčenie priebehu lisovania a tieţ na zlepšenie energetickej bilancie
a zvýšenie odolnosti voči oteru.
Poţiadavky na balenie
Vykurovacie pelety z biomasy sa dodávajú vo vreciach alebo voľne loţené. Obalové materiály musia spĺňať
poţiadavky zákona č. 163/2001 Z. z. o chemických látkach a chemických prípravkoch v znení neskorších
predpisov a § 6 zákona č. 529/2002 Z. z. o obaloch a o zmene a doplnení niektorých zákonov a príslušných
vykonávacích predpisov.
DÔLEŢITOSŤ A VÝZNAM SLEDOVANÝCH PARAMETROV
Tab. 3 Prehľad sledovaných parametrov a ich význam
Sledovaný parameter
Ovplyvňuje
Chemicko-termické ukazovatele kvality
Obsah vody
skladovateľnosť, výhrevnosť, samovznietenie
Výhrevnosť
vyuţiteľnosť paliva, návrh linky
Obsah chlóru
HCl, dioxin/furánové emisie, korózie v kotloch
Obsah dusíka
NOx, HCN a N2O emisie
Obsah síry
SOx emisie
Obsah popola
čiastočne emisie, náklady na pouţitie alebo dispozícia popola
Obsah ťaţkých kovov
emisie znečisťujúcej látky, pouţitie alebo dispozícia popola
Mechanické ukazovatele kvality
Sypná hustota
náklady na dopravu a skladovanie, plánovanie logistiky
Základná hustota
vlastnosti spaľovania
Mechanická odolnosť - oter
zmeny kvality počas prekládky, rozdrobovanie, straty paliva
/ 90 /
Brno 2010
Hustota výlisku
Hustota výliskov je najdôleţitejším mechanickým ukazovateľom kvality tuhých ušľachtilých biopalív. Hustota
výliskov je dôleţitá z hľadiska ich manipulácie. Výlisky musia byť súdrţné, aby nevznikali trhliny a neoddeľovali
sa jemné častice. So zvyšovaním hustoty výliskov z drevnej hmoty sa úmerne zvyšuje aj ich pevnosť. Výlisky
s vyššou hustotou majú dlhšiu dobu horenia, čo je vzhľadom na ich primárnu úlohu paliva najvýznamnejšia
vlastnosť. Vyššia hustota priaznivo ovplyvňuje tieţ dlhotrvajúcu objemovú a tvarovú stálosť výlisku, ako aj zniţuje
schopnosť výlisku absorbovať vlhkosť zo vzduchu.
Mechanická odolnosť – oter výliskov
V dnešnej dobe existujú rôzne spôsoby zisťovanie mechanickej odolnosti resp. oteru. Závisí to od normy, ktorej
sa pridŕţame. Oter je dôleţitým parametrom praktického posúdenia kvality. Súvisí s poţiadavkou zamedziť
vzniku prachových častíc v procese automatizovanej dopravy takéhoto paliva, a tým zamedziť výbuchu
prachových častíc v procese horenia.
Popol
Popol, ktorý dostaneme po spálení biopalív z biomasy (dendromasy aj fytomasy) je moţné vyuţiť ako organické
hnojivo. Pouţívanie popola, vzniknutého spaľovaním biomasy, ako hnojiva nie je v súčasnosti slovenskou
legislatívou ošetrené. Popol je stále povaţovaný za odpad a vzťahuje sa naň legislatíva o odpadoch. Legalizácia
jeho pouţívania ako hnojiva môţe byť docielená len novelizáciou zákona o hnojivách. V zákone o hnojivách nie
je v súčasnosti uvaţované ani s biokalom, vznikajúcom pri fermentácii biomasy v bioplynových staniciach, ako
s organickým hnojivom. Rozvoj bioenergetiky bude jedným z dôvodov nutnosti novely spomínaného zákona.
Argumentom na uznanie popola z biomasy ako hnojiva bude vysoký obsah vhodných prvkov v popole, ako aj
argument, ţe v súčasnosti sa biomasa pri zbere v mnohých prípadoch drví a zapracováva do pôdy ako zdroj
ţivín.
Podľa zákona č.136/200 Z. z. o hnojivách musí byť kaţdé na trh uvádzané hnojivo certifikované. Jednotlivé typy
hnojív, pôdnych pomocných látok a pestovateľských substrátov sú špecifikované v prílohe č. 1 k vyhláške MP SR
č. 577/2005 Z. z., ktorou sa stanovujú typy hnojív, zloţenie, balenie a označenie hnojív, analytické metódy
skúšania hnojív, rizikové prvky, ich limitné hodnoty pre jednotlivé skupiny hnojív, prípustné odchýlky a limitné
hodnoty pre hospodárske hnojivá. Popol zo spaľovania biomasy v tejto prílohe uvedený nie je, a preto je stále
povaţovaný za odpad. Oficiálne preto nie je moţné jeho pouţitie na trhu s hnojivami. Zmenu môţe zabezpečiť
len novelizácia zákona o hnojivách. Rozbor vzoriek popola však poukázal na to, ţe popol je z hľadiska obsahu
prvkov vhodný ako hnojivo. Podľa vyhlášky MP SR č. 577/2005 Z. z. sú rizikové prvky v hnojivách: kadmium
(Cd), arzén (As), ortuť (Hg), chróm (Cr), nikel (Ni), olovo (Pb), selén (Se), meď (Cu) a zinok (Zn). Limitné hodnoty
rizikových prvkov, podľa tejto vyhlášky, v organických hnojivách obsahujúce odpad sú uvedené v tabuľke 4.
Tab. 4 Limitné hodnoty rizikových prvkov v organickom hnojive
Prvok
kadmium (Cd)
arzén (As)
ortuť (Hg)
chróm (Cr)
nikel (Ni)
olovo (Pb)
selén (Se)
meď (Cu)
zinok (Zn)
Limit v mg.kg-1
2
10
1
100
50
100
5
200
400
/ 91 /
Brno 2010
ZÁVER
Stále viac sa v súčasnosti stretávame s poţiadavkou upravovať nové druhy odpadov, ako sú syntetické odpady,
či zmesové odpady. Viacerí zákazníci chcú energeticky zhodnocovať akýkoľvek odpad v akomkoľvek
energetickom zariadení. Treba si uvedomiť, ţe niektoré druhy biomasy, syntetický odpad, ale najmä zmesové
odpady nie je moţné priamo energeticky zhodnotiť a práve proces zušľachťovania odpadu je technologickým
medzistupňom pre výrobu plynných a kvapalných palív druhej a tretej generácie. Problém je v legislatíve, pretoţe
výlisky vyrobené z iného ako drevného odpadu nie sú definované ako palivo. V súčasnosti neexistuje národná
alebo európska legislatíva, ktorá by takéto palivo definovala. Treba si tieţ uvedomiť, ţe pre priame energetické
zhodnocovanie – spaľovanie sú vhodné len ušľachtilé biopalivá vyrobené z biomasy (dendromasy a fytomasy).
Preto sme pre návrh kritérií pre udelenie národnej environmentálnej značky posudzovali len biopalivá vyrobené
z týchto surovín. Pri návrhu kritérií sme vychádzali z dvoch základných podkladov. Bola to nemecká norma DIN
PLUS na jednej strane a na druhej strane priemerné hodnoty sledovaných parametrov, ktoré sme získali z
protokolov meraní rôznych druhov biopalív. Pri drevnej biomase, priemerné hodnoty z protokolov (s výnimkou
arzénu) dosiahli sledované parametre hodnoty poţadované uvedenou normou. Pri trávnatej biomase sme na
základe analyzovaných hodnôt navrhli nové odporúčané parametre pre slovenských producentov.
Poďakovanie:
Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba
prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
POUŢITÁ LITERATÚRA:
[1] Šooš, Ľ., Kriţan, P., Matúš, M. (2010): Energetické vyuţitie zmesových odpadov. In: Vykurovanie 2010,
Ľubovnianske kúpele, Slovenská republika, 141-146.
[2] Šooš, Ľ. (2007): Odpady 1 : Environmentálne technológie. STU v Bratislave, Bratislava.
[3] Vyhláška Ministerstva ţivotného prostredia SR č. 284/2001 Z. z, ktorou sa ustanovuje Katalóg odpadov v
znení vyhlášky č. 409/2002 Z. z. a vyhlášky č. 129/2004 Z. z.
/ 92 /
Brno 2010
ZPLYŇOVÁNÍ KONTAMINOVANÉ BIOMASY
Jiří Moskalík, Jan Škvařil, Otakar Štelcl, Marek Balaš, Martin Lisý
Hlavním cílem práce bylo zjistit možnosti energetického využívání některých specifických druhů paliv a to
zejména biomasy kontaminované nežádoucími látkami. Právě zvýšený obsah znečišťujících látek určuje, že
s tímto materiálem je třeba zacházet jako s odpadem a ne jako s klasickým palivem. Výzkum se zaměřuje
převážně na využití metody termického zplyňování kontaminované biomasy v atmosférickém fluidním loži.
Kontaminovanou biomasu lze v určitém ohledu chápat jako odpad. S ohledem na likvidaci odpadu se termické
fluidní zplyňování jeví jako velice progresivní technologie.
Klíčová slova: Fluidní zplyňování, Kontaminovaná biomasa, Termická likvidace odpadů
UVOD
Nárůst spotřeby energie, vyţaduje aby lidstvo zaměřilo svůj zájem i na jiné neţ klasické fosilní paliva. Biomasa
představuje jednu z moţností jak sníţit spotřebu primárních energetických zdrojů. Nepřehlédnutelnou výhodou
biomasy také je, ţe nabízí přímou transformaci na kapalná a plynná paliva. Po dosaţení určitých kvalitativních
parametrů, jako jsou čistota nebo dostatečná výhřevnost lze s těmito palivy vhodněji nakládat. V posledních
letech ovšem energetické vyuţívání biomasy zaznamenalo výrazný vzestup a to i ve velkých energetických
zdrojích. Zřejmou příčinou byla statní podpora výkupních cen energie při vyuţívání obnovitelných zdrojů. Nastala
tak situace kdy v důsledku výrazného ovlivnění trhu se z tohoto typu paliv stává „nedostatkové zboţí“, zejména
pro větší odběratele. V tomto okamţiku se začínají spotřebitelé poohlíţet po jiném dříve trochu opomíjeném typu
paliva, některých netoxických odpadech, které lze souhrně označit jako kontaminovaná biomasa. Do skupiny
kontaminované biomasy spadají materiály jako odpady ze zemědělské produkce, odpady z nábytkářského
průmyslu a podobně. Energetické vyuţívání kontaminované biomasy spojuje dvě roviny náhledu, jednak se
zaměřuje o produkci energie ale hlavně umoţňuje likvidaci specifických odpadů.
ROZDĚLENÍ KONTAMINOVANÉ BIOMASY
Hlavní překáţkou energetického vyuţívání kontaminované biomasy je poměrně vysoký obsah neţádoucích látek,
coţ sebou přináší řadu provozních problémů. Neţádoucí látky se do tohoto potencionálního paliva dostaly
v průběhu výroby, udrţování a ošetřování materiálu. Kontaminanty mohou být velice různorodé v závislosti na
původu, konkrétním primárním vyuţití a typu paliva. V podstatě lze kontaminovanou biomasu rozdělit do tří
základních skupin:
o
o
o
odpady ze zemědělské produkce
odpady ze stavebnictví
odpady z nábytkářského průmyslu
Kaţdá z těchto skupin má svoje určitá specifika, protoţe v průběhu svého vzniku přišli do kontaktu s rozdílnými
typy chemikálií. Zatímco odpady ze zemědělské produkce budou vynikat spíše zvýšenými obsahy dusičnanů, tak
odpady ze stavebnictví budou nejčastěji ošetřeny nějakými ochrannými prostředky a penetracemi. Ochranné
prostředky mají za úkol prodlouţit ţivotnost daného materiálu, většinou se jedná o tzv. biocidní látky (Biocid - bio
= ţivot + cidó = ničím) obecně látky pouţívané k hubení, tlumení nebo omezování růstu škodlivých organismů ve
všech oblastech lidské činnosti. Biocidní látky často obsahují sloučeniny chloru a dalších halogenů nepříznivých
z ohledů emisních limitů při spalování nebo zplyňování těchto materiálů.
Poslední skupina odpady z výroby nábytku do sebe nezahrnuje odřezky, hobliny nebo piliny z čistého dřeva
(spadá do klasické biomasy). Spíše se jedná o materiál kontaminovaný v průběhu výroby nějakými chemikáliemi
(např.: různá pojiva, lepidla, laky, taktéţ biocidní látky jako v případě stavebního odpadu a mnoho dalších
sloučenin).
Ing. Jiří Moskalík, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2, 612 00 , e-mail: [email protected]
/ 93 /
Brno 2010
Kontaminovaná biomasa nemusí být nezbytně nebezpečná nebo toxická, zaleţí také na formě jakou bude dále
zpracována a vyuţívána. Jinými slovy zaleţí za jakých podmínek bude spalována nebo zplyňována a zda budou
dodrţeny potřebné teploty pro sníţení emisí neţádoucích látek.
PRVKOVÉ SLOŢENÍ VZORKU KONTAMINOVANÉ BIOMASY
Poškozená dřevo-tříska (např.: ze starého nábytku, odřezků z dílen na výrobu nábytku apod.) představuje zřejmě
nejtypičtějšího zástupce odpadu z nábytkářské výroby. Obsahuje celou škálu výše zmíněných kontaminantů, má
vhodnou konzistenci (lze ji nadrtit nebo naštěpkovat) a je velice rozšířená.Proto byla taká vybrána jako zástupce
kontaminované biomasy pro další výzkum energetického vyuţívání v laboratořích energetického ústavu. Jako
pokusné palivo byla zvoleny staré dřevotřískové desky, které se nechaly pro experimentální účely zplyňování
nadrtit.
Tab. 3 Prvková analýza popele [1]
Stanoveno
Voda hrubá
Voda zbytková
Voda celková
Popelnatost při 550°C
Hořlavina
Prchavá hořlavina
Neprchavá hořlavina
Vodík H
Uhlík C
Dusík N
Kyslík O
Síra veškerá
Síra prchavá
Síra v popelu
Spalné teplo [kJ/kg]
Výhřevnost [kJ/kg]
Vzorek v
Vzorek
Vzorek
dodaném stavu
bezvodý [%] hořlavina [%]
[%]
4,08
7,15
11,23
1,02
1,15
87,75
98,85
100
70,35
79,25
80,17
17,40
19,60
19,83
Prvkový rozbor
5,65
6,36
6,43
42,59
47,98
48,54
3,64
4,10
4,15
35,84
40,37
40,84
0,04
0,05
0,03
0,04
0,04
0,10
0,01
Energetické parametry
17601
19828
20059
16068
18433
18647
Celkový chlor: 0,048 [%] v sušině, fluoridy 284 [mg/kg] v sušině [1]
Prvkově halogeny ve vzorku zaujímají relativně malé mnoţství, zaleţí ovšem na tom v jakých sloučeninách je
chemicky vázaný. V případě kontaminovaného odpadu z výroby nábytku většinou pochází z výše zmíněných
biocidních látek, které často vykazují strukturu podobnou polychlorovaným dibenzo-dioxinům či dibenzo-furanům
patřícím k nejjedovatějším látkám vůbec. Jako příklad lze uvést silné anti-bakteriální a anti-houbové činidlo
Triclosan, pouţívá se např. v mýdlech a čistících prostředcích. Molekulu triclosanu pro porovnání současně
s molekulou dioxinu zobrazuje následující obrázek (obr.3.).
/ 94 /
Brno 2010
Obr. 4 Porovnání molekul triclosanu (vlevo), polychlorovaného dibenzo-dioxinu (uprostřed) a polychlorovaného
dibenzo-furanu (vpravo) [2] [3]
Ne všechny prvky obsaţené v palivu přejdou do spalin, některé sledované prvky (např. těţké kovy apod.)
zůstanou spíše vázány v popelovinách. Takţe pro dokreslení ostatních vlastností paliva byly provedeny i
chemické rozbory popelovin z nábytkářské drti. Spálení paliva pro získání popela na rozbory proběhlo při teplotě
550°C. Hodnoty obsahu jednotlivých sloţek ukazuje následující tabulka. Je patrné, ţe některých minerálních
látek lze v testovaném popelu najít více neţ v klasické biomasy. Zejména obsah oxidu Titanu (TiO2) vykazuje
nečekaně vysoké hodnoty neţ jsou publikovány v literatuře [4].
Tab. 4 Chemický rozbor popelovin z drti z nábytku [2]
Chemické sloţení popelovin
Látka
SiO2
Fe2O3
MnO
Al2O3
TiO2
CaO
MgO
Na2O
K2O
SO3
P2O5
Cl
[%]
15,30
3,60
7,28
25,80
19,00
4,35
1,83
8,90
2,77
2,34
0,46
Prvek
Pb
Cd
Cu
Hg
Mn
Cr
Ni
Zn
[mg/kgpopele]
223
méně neţ 10
484
méně neţ 10
12500
170
107
2900
Hlavní negativní dopad působení popelovin na chod zařízení představuje spékání popelovin na funkční součásti
zplyňovacích nebo spalovacích zařízení. V důsledku spékání popelovin dochází k ucpání přístupových cest pro
palivo a vzduch. Teploty tavení popelovin tedy slouţí hlavně pro určení bezpečných provozních teplot pro
zařízení, aby nedocházelo při jeho provozování k těmto neţádoucím jevům [5]. Drť z nábytkářské dřevo-třísky
navzdory relativně vysokým obsahům minerálních látek vykazuje teploty tavení popelovin podobné dřevinám.
Tab. 5 Hodnoty teplot tavení popelovin z drti z nábytku [2]
Teploty tavení popele [°C]
teplota spékání
počátek měknutí popele
Bod tání popele
počátek tečení popele
/ 95 /
1220
1330
1390
1400
Brno 2010
EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ:
Měření probíhalo v říjnu roku 2010 na experimentálním zplyňovacím zařízení BIOFLUID 100, které je umístěno
v laboratořích energetického ústavu. Účelem měření bylo pouze ověřit moţnosti zplyňování kontaminované
biomasy (drť z nábytkářské dřevo-třísky). Protoţe se nejedná o klasické palivo zapadající mezi obnovitelné zdroje
měření slouţilo k ověření a nalezení vhodné metodiky zplyňování. Zkouška byla zaměřena na samotný proces
zplyňování tohoto materiálu, zda nenastávají a pokud ano tak jaké provozní problémy.
Měření probíhalo pouze na zplyňovacím reaktoru, produkovaný plyn neprocházel přes horký katalytický filtr (HKF)
Výsledný plyn nebyl po nijak čištěn, odcházel přímo na fléru. K dispozici jsou proto pouze data z měřících míst ve
zplyňovacím reaktoru. Jednotlivá měřící místa jsou naznačena na schématu zplyňovacího zařízení Obr.2.
Podrobnější informace o měření jsou uvedeny v interní zprávě energetického ústavu (zpráva VUT-FSI-OEI
č.012/2010) - [6]
Obr. 5 Schéma experimentálního stendu BIOFLUID 100 s naznačenými měřícími místy.
Po počátečních problémech se podařilo BIOFLUID zprovoznit na druhý pokus asi v 7:40. Pravděpodobnou
příčinou bylo nastavení velkého mnoţství primárního vzduchu, palivo relativně jemné konzistence zřejmě ulétalo
z fluidní vrstvy, respektive se stabilní fluidní vrstva nemohla pořádně vytvořit. Po zahřátí freeboardu pomocí
zapnutého terciálního vstupu vzduchu a stabilizaci teplot v zařízení začal asi 11:15 odběr vzorků plynu a dehtů.
/ 96 /
Brno 2010
Teploty v reaktoru
900
800
700
TIZA-101
TIZA-102
TIZA-103
TIZA-104
TIZA-105
TIZA-106
TIZA-107
TIZA-108
Odber 1
Odber 2
Odber 3
Odber 4
Teplota (°C)
600
500
400
300
200
100
Dehet 1
0
7:30
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
Dehet 2
12:30
13:00
Dehet 3 Dehet 4
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
Čas (hod)
Obr. 6 Průběh teplot v reaktoru a naznačení časového průběhu odběru vzorku dehtů – 6.10.2010 [6]
Pro dokreslení průběhu zplyňovacího procesu byly odebrány vzorky prokukované plynné směsi a také vzorky
dehtu v plynu obsaţené. Rozbory vzorků plynu a dehtu byly provedeny na VŠCHT Praha. Byly provedeny celkem
4 odběry dehtů (pozn.: dle tar-protokolu, v grafech znázorněny vodorovnými čarami), před kaţdým odběrem a po
jeho skončení byl odebrán plyn do skleněných vzorkovnic („myší“).
Tlaková ztráta fluidního lože
1800
1600
1400
Tlak (Pa)
1200
1000
PDI-2
800
600
400
200
0
7:30
8:00
8:30
9:00
9:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
Čas (hod)
Obr. 7 Vývoj tlakové ztráty fluidního loţe v průběhu pokusu (PDI-2) [6]
/ 97 /
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
Brno 2010
Jak je patrno z obrázku č. 4 ztráta fluidního loţe je značně rozkolísaná zejména ze začátku zplyňování. Navíc
dosahované hodnoty tlakové ztráty loţe přesahují typické hodnoty pro biomasu ve formě štěpky. Tyto hodnoty se
většinou u dřevní štěpky pohybují v rozsahu od 200 do 400 [Pa]. Zde v první části měření (od 9:00 do asi 11:15)
kolísají v od 0 do 1200 [Pa], coţ naznačuje, ţe nebyla vytvořena stabilní fluidní vrstva. V dalším průběhu pokusu
se fluidní vrstva poněkud stabilizovala (tlaková ztráta loţe se drţela kolem 500 [Pa]). Kvalita výsledného plynu
byla ale poněkud horší. [6]
Obr. 8 Pohled do spodní části fluidního loţe reaktoru (dochází k zapěchování vstupu vzduchu i paliva)
ZÁVĚR
Cílem tohoto měření bylo zejména vyzkoušet jiný materiál neţ pro BIOFLUID běţně pouţívané palivo.
Kontaminovaná biomasa někdy také označováno jako sekundární biomasa (dřeviny nebo rostliny mající primární
vyuţití jiné neţ energetické, např.: stavební materiál, trámy, odpad z dřevo zpracovatelského průmyslu) mívá
vyšší obsahy halogenových sloučenin. Tyto sloučeniny se do biomasy dostanou nejčastěji při průběhu
zpracování a ošetřování dřeva před neţádoucími vlivy a organizmy. Nejčastěji se jedna o výše zmíněné biocidní
látky, které mají prodlouţit ţivotnost výrobků a minimalizovat neţádoucí účinky prostředí na dřevní materiál. Pro
spalování nebo zplyňování takto kontaminovaného materiálu to má za následek vyšší produkci jedovatých
sloučenin ve spalinách nebo produkovaném plynu. Vyšší koncentrace neţádoucích látek můţe mít neblahý
dopad na samotné zařízení a samozřejmě na ţivé organizmy a ţivotní prostředí.
Co se týká samotného procesu zplyňování byla jeho stabilita poněkud horší, jak je patrno na časových průbězích
měření. Ze začátku měření se nedařilo dosáhnout stabilní fluidní vrstvy a při pozdější stabilizaci byla hodnota
tlakové ztráty stále poměrně vysoká. Důvodem rozkolísanosti tlakové ztráty fluidní vrstvy by mohla být
nehomogenita testovaného paliva. Drť z nábytku měla relativně velký podíl jemné frakce (dalo by se říci prachu),
který při promíchávání zásobníku mohl propadnout na dno a tím se dostal do zplyňovacího reaktoru jako první.
Jemné částečky ulétávaly z reaktoru a nemohla se tak vytvořit stabilní fluidní vrstva.
Hodnoty sloţení produkovaného plynu ukazují poměrně zvláštní vývoj sloţení plynu během pokusu, hlavně
v odpolední části pokusu, kde byl zjištěn vysoký obsah kyslíku ve vzorku plynu. Konkrétní hodnoty sloţení plynu
jsou uvedeny v interní zprávě energetického ústavu (zpráva VUT-FSI-OEI č.012/2010) - [6]. Moţnou příčinnou by
mohla být netěsnost vzorkovacích nádob, nebo přisávání falešného vzduchu při odběru vzorku. Další z moţných
příčin by mohlo být opět prvotní odlétávání jemné frakce, ta má větší styčný povrch a zplyňovací reakce mohli
probíhat snadněji (spíše hypotetická varianta).
/ 98 /
Brno 2010
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Alice Kotlánová: PROTOKOL O ZKOUŠCE – vzorku paliva: Akreditovaná zkušební laboratoř TÜV NORD
Czech 2010
Obrázek molekuli triclosanu: Staţeno dne 20.11.2010,:
http://www.quantexlabs.com/AboutTriclosan/ABOUTTRICLOSAN.htm.htm
Nigel W. Tame, Bogdan Z. Dlugogorski_, Eric M. Kennedy: Formation of dioxins and furans during
combustion of treated wood:, Elsevier Science, Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007)
384–408
Skála Z., Ochotek T.: Energetické parametry biomasy, projekt GAČR 101/04/1278, rok 2007 ISBN 978-80214-3493-6
Moskalík J., Baláš M., Lisý M., Bogdálek J.: Tavení popele z biomasy, Sborník ze semináře
Energie z biomasy IX, VUT Brno Fakulta Strojního Inţenýrství, IBSN 978-80-214-3803-3
Moskalík J., Baláš M., Lisý M., Škvařil J., Štelcl O.: Provozní zkoušky zplyňování kontaminované biomasy
(drť z nábytkářské dřevo-třísky)zpráva VUT-FSI-OEI č. 012/2010, Interní zpráva energetického ústavu.
Brno 2010
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za podpory specifického výzkumu VUT v Brně, Fakulty strojního inţenýrství, konkrétně
projektu „Termická likvidace kontaminované biomasy“ FSI-J-10-40.
/ 99 /
Brno 2010
/ 100 /
Brno 2010
PELETOVACÍ LIS PROGRESÍVNEJ KONŠTRUKCIE – PLG 2010
Juraj Ondruška, Ğubomír Šooš, Peter Kriţan, Miloš Matúš
Príspevok popisuje aktuálny stav v oblasti vývoja peletovacieho lisu založeného na princípe patentovanej
koncepcie konštrukcie lisu s axiálno–rotačnými valcami, ktorého vývoju sa náš ústav dlhodobo venuje.
V poslednom období bola spracovaná inovovaná koncepcia stroja novej generácie, ktorá je v súčasnosti pred
prototypovými skúškami.
Kľúčové slová: biomasa, zhutňovanie, guľový peletizér, nízkoenergetický stroj, modulárna koncepcia
peletovacieho stroja.
ÚVOD
Vývoju strojov pre zhutňovanie biomasy a zhodnocovanie ďalších odpadov sa náš ústav venuje uţ od roku 1995.
Výroba peliet sa povaţuje z hľadiska vstupných energetických nárokov za jeden z najnáročnejších spôsobov
zhutňovania biomasy. Na druhej strane sú pelety veľmi vhodným ekologickým palivom aj z hľadiska dopravy,
skladovania a automatizovaného spaľovania. Na základe týchto faktorov vznikla potreba vyvinúť novú
nízkoenergetickú koncepciu peletovacieho lisu. Prvá myšlienka s novým princípom lisu vznikla uţ v roku 2005 [1].
Bola zaloţená na vedeckom fakte, ţe maximálny tlak „bodový“ kontakt vzniká pri styku gule s plochou. Tým je
moţné dosiahnuť vysoký lisovací tlak pri relatívne nízkej okamţitej lisovacej sile vyvolanej zhutňovacím
mechanizmom. Takýto spôsob lisovania vedie ku menej masívnym konštrukciám strojov niţšieho príkonu ako
v súčasnosti vyrábané stroje vyuţívajúce „priamkový“ kontakt, ktorý vzniká dotyku valca s rovnou plochou. Tento
princíp je od nepamäti vyuţívaný napríklad pri drvení ručným maţiarom (Obr. 1). Uţ naši predkovia vedeli ako
vyvinúť potrebný tlak pri čo najmenšej námahe.
Obr. 1 Starodávny ručný maţiar
STRUČNÝ PRIEREZ VÝVOJA V DANEJ OBLASTI PROBLEMATIKY
Tento fyzikálny jav je tieţ vyuţívaný pri aplikácií guľkových loţísk, ktoré majú niţšie valivé odpory, ako loţiská
s iným ako bodovým stykom, čoho dôsledkom môţe byť zvýšenie energetickej účinnosti mechanizmu. Vhodný
tvar je teda guľový nástroj a rovinná matrica. Pri takýchto tvaroch plôch nastáva v ideálnom prípade dotyk v bode
(Obr. 2). Tým dosiahneme vysoko efektívne pôsobenie sily pre dosiahnutie poţadovaného tlaku, čiţe aj menšie
poţiadavky na príkon zariadenia.
F
k.
n
Obr. 2 Vľavo pôsobenie gule na rovinu, v pravo kardanová spojka
Ing. Juraj Ondruška, PhD.; Strojnícka fak. STU Bratislava ; Nám. Slobody 17, 81231 Bratislava; [email protected]
wkfsdf
/ 101 /
Brno 2010
Pre dosiahnutie synchronizovaného odvaľovania lisovacieho priestoru sa povaţovalo za vhodné vyuţiť princíp
kardanovej spojky (Obr. 2). Návrhová koncepcia stroja pozostávala z dvoch axiálno–rotačných valcov
s rôznobeţnými osami otáčania, medzi ktorými bola umiestnená guľa. Vzájomným pohybom vytvárajú tieto tri
členy lisovací priestor, v ktorom je materiál strhávaný a komprimovaný na princípe kontinuálnej zmeny geometrie
lisovacieho priestoru, čiţe aj jeho objemu (Obr. 3).
Obr. 3 Prvotná koncepcia princípu lisovania
V roku 2002 bola na našom ústave obhájená diplomová práca [2], ktorej súčasťou bol aj prvý funkčný model
zariadenia (Obr. 4). Tento stroj poslúţil na overenie navrhovaného princípu. Zariadenie má priemer gule 71,6mm,
motor 1kW, hodinový výkon 40 aţ 50 kg/h, počet otvorov v matrici 21 x Ø7mm a patrí do skupiny malých
peletovacích lisov. Výroba častí peletovacieho lisu je technologicky a finančne primerane náročná, čoho
dôsledkom môţe byť cenovo dostupná konštrukcia peletovacieho lisu s vysokým stupňom finančného
zhodnotenia odpadovej biomasy. Správnosť navrhnutej konštrukcie bola overená skúškami funkčných a
technických parametrov, ako je - overenie vťahovania suroviny do lisovacieho priestoru, overenie schopnosti
peletovania, overenie výkonu lisovania a overenia kvality výliskov. V rámci skúšok boli lisované materiály ako
drevný odpad, odpad z MDF, slama, čečina, rašelina, čierne luhy, odpad z ČOV – kalov, repka olejná, humus z
Kalifornských dáţďoviek (Enzymmix), otrava na potkany, odpad z kakaa, kremelina. Princíp bol v roku 2006
patentovaný autormi práce [3] a následne bol vytvorený základ pre modifikovanie konštrukcie a výrobu prototypu
peletovacieho lisu.
Obr. 4 Prvý funkčný model peletovacieho lisu (variant - V1)
V nasledovných rokoch sa vývoj uberal dvomi cestami. Od roku 2006 do 2007 bola riešená koncepcia vysoko
výkonného variantu stroja [4]. Navrhovaný prototyp bol s priemerom gule Ø 122mm, 260 x Ø 8mm otvorov
základnej matrice s predpokladaným výkonom 250-300 kg/h a príkonom motora 18,5 kW. Vývoju tohto prototypu
sa venoval kolektív pod vedením Ing. Ivana Kopeckého. Ţiaľ, s predčasnou smrťou vedúceho kolektívu sa
zastavili aj práce na výrobe prototypu.
Druhú konštrukčnú líniu predstavoval stroj navrhnutý Ing. Grmanom, ktorý bol aj spoluautorom prvého
vyrobeného stroja. Konštrukčne predstavoval väčšiu verziu variantu V1 s drobnými konštrukčnými inováciami.
Jednalo sa o stroj s priemerom gule Ø 90 mm s počtom otvorov v základnej matrici 30 x Ø 7,5 mm, príkonom
motora 4 kW a predpokladaným mnoţstvom spracovanej biomasy 80-100kg/h.
wsd
/ 102 /
Brno 2010
V roku 2009 bol vyrobený prototyp tohto stroja. Nanešťastie, vzhľadom na len čiastočne ozrejmené konštrukčné
problémy sa ho nepodarilo nikdy sprevádzkovať.
Obr. 5 Vysoko vykoná koncepcia guľového peletizéra (variant -V3)
V súčasnosti stroj nie je majetkom nášho ústavu, a preto nebolo moţné spraviť potrebné konštrukčné analýzy pre
úplné odhalenie príčin. Konštrukcia bola podrobená len čiastočnej virtuálnej analýze, ktorej výsledkom bolo
niekoľko závaţných poznatkov potrebných pre výrobu nového funkčného prototypu.
Obr. 6: Guľový peletizér strednej triedy (variant - V2)
VÝVOJ MODULÁRNEJ KONŠTRUKCIE PELETOVACIEHO STROJA PLG 2010
Od roku 2010 sa zahájil vývoj nového prototypu stroja. Projekt komplexnej analýzy a vývoja nového prototypu bol
zadaný Ing. Jurajovi Ondruškovi PhD., ktorý bol v tom čase novým zamestnancom ústavu. Kolektív konštruktérov
pod jeho vedením po štyroch mesiacoch vývojovej práce odovzdal kompletnú výkresovú dokumentáciu
modulárnej štruktúry stroja (Obr. 7) do výroby. V krátkom období ma dôjsť k odovzdaniu stroja a k prvým
prototypovým skúškam. Predpokladáme, ţe získané informácie budú veľkým prínosom pre ďalšiu optimalizáciu
stroja a prípravu sériovej výroby zo zreteľom na minimalizáciu výrobných nákladov pri zachovaní pôvodných
parametrov stroja.
V prvej fáze projektu bola konštrukcia predchádzajúcich variant stroja podrobená detailnej analýze. Boli
prehodnotené všetky získané skúsenosti. Konštrukcia funkčného verifikačného modelu bola skúmaná aj
z hľadiska tribológie a mechanického poškodenia jednotlivých častí konštrukcie (Obr. 8).
Z dôvodu väčších zásahov do konštrukcie predchádzajúcich verzií peletizéra je vhodné ozrejmiť realizované
konštrukčné zmeny a odôvodniť ich dôleţitosť. Počas vývoja finálnej varianty boli zvaţované rôzne spôsoby
prevedenia konštrukcie, ako napríklad pouţitie kuţelíkových, toroidných a súdkových loţísk alebo pouţitie
lisovníka s výstupkami atď..
wsd
/ 103 /
Brno 2010
Obr. 7 Inovovaný guľový peletovací stroj novej generácie (súčasný variant - V4)
Po preverení veľkého mnoţstva alternatív z hľadiska komplexnej vyrobiteľnosti, zmontovateľnosti,
tvarovej funkčnosti a iných vplývajúcich faktorov bola snaha vybrať optimálnu koncepciu.
Obr. 8 Dôleţité súčiastky zariadenia V1 po dlhodobej skúšobnej prevádzke
wsd
/ 104 /
Brno 2010
Niektoré zmeny boli verifikované výpočtom, ako aj softvérovou pevnostnou či kinematickou analýzou. Príkladom
je pevnostná analýza nástroja matrice (Obr. 10). Výsledné porovnávacie napätia podľa Misesa zdôvodňujú reálne
opotrebovanie pozorovateľné na obrázku (Obr. 8).
Obr. 9 Koncepcia lisovania nástrojom s výstupkami
Obr. 10 Orientačná pevnostná analýza nástrojov matrice
Obr. 11 Orientačná pevnostná analýza striţnej spojky – zaťaţenie krut 1600Nm a 1000Nm, priemer kolika 12mm
Hlavné ciele snaţenia konštrukčného tímu boli:
Zabezpečenie tuhosti konštrukcie
Jednoduchá výmena nástrojov, ako aj rozobrateľnosť celého zariadenia
Minimalizácia rizika zlyhania ľudského faktora pri montáţi a výrobe
Zabezpečenie riadeného a ľahko opraviteľného prevádzkového poškodzovania, zníţenie trení v
celom systéme, dôsledkom čoho má byť zväčšenie celkovej ţivotnosti zariadenia
Utesnenie priestorov
Presné definovanie polohy členov v zostave tak, aby nemohlo dôjsť k nepredvídaným kolíziám
Minimalizácia vôlí medzi pohyblivými členmi tak, aby sa mohli otáčať a súčasne bola
zabezpečená tesnosť systému
Navrhnúť také koncepčné riešenie, ktoré nebude náchylné na samovzpriečenie a následné
zablokovanie pri vysokých prevádzkových tlakoch
Moţnosť modulárnej variovatelnosti zariadenia a jednoduchej vymeniteľnosti nástrojov.
Zásadné zmeny a úpravy konštrukcie koncepčne vychádzajúcej z varianty V2
Všetky spomínané riešenia konštrukčných uzlov sú našim duševným vlastníctvom s patričnou právnou ochranou.
wsd
/ 105 /
Brno 2010
1. Bolo vyriešené utesnenie gule, matrice a lisovníka tak, aby nedochádzalo k nepriaznivému tečeniu
materiálu do priestoru konštrukcie.
2. Aplikácia klzného loţiska do tela konštrukcie pre zvýšenie ţivotnosti a zadefinovanie presnej polohy
matrice (poloha z hľadiska statickej určitosti medzi členmi: guľa, lisovník, matrica a loţisko).
3. Ďalšou súvisiacou inováciou je klzný kameň v uloţení gule zabezpečujúci správny kontakt „guľa –
matrica“ z hľadiska opotrebenia, prevádzkových odporov a repasovateľnosti.
4. Riešenie problému ohľadne jednoduchej zmontovateľnosti a moţnosti nastavovania predpätia v celom
systéme, poistenie členov, ktoré toto predpätie do systému vnášajú.
5. Doriešenie mazania celého systému, ako aj utesnenie proti úniku maziva.
6. Poistenie hriadeľov voči axiálnemu posunu.
7. Navrhnutý lámač a návrh opierok slúţiacich na dochladzovanie peliet. Toto riešenie zabezpečuje lepšie
ochladenie peliet a odparovania zvyškovej vlhkosti. Lámač dáva moţnosť nastavenia dĺţky peliet.
8. Spojka so striţným kolíkom slúţi ako ochrana zariadenia voči mechanickému poškodeniu preťaţením..
Orientačná pevnostná analýza striţnej spojky je na obrázku (Obr. 11).
9. Úprava tvaru hriadeľov na plochách vsúvaných do guli z dôvodu diferencií uhlových rýchlostí hnacieho
hriadeľa voči hnanému. Predpokladom je, ţe pri prevádzke sa medzi lisovníkom a matricou vytvorí
virtuálny trecí prevod, ktorý nedovoľuje dostatočný sklz, dôsledkom čoho je poškodenie konštrukcie.
Charakteristické vlastnosti Hookovho kĺbu spôsobujú mnoţstvo závaţných problémov.
10. Bol presunutý otvor násypky na stred gule z dôvodu predpokladu zlepšenia vťahovania materiálu do
kompresného priestoru, zlepšenia pomeru objemu voľného voči stlačenému počas jednej otáčky
zariadenia (Obr. 7).
11. Vytvorenie koncepciu preplňovania systému plniacim zariadením koncepcia prevzatej z briketovacieho
lisu BL 50 – 250 (Obr. 7).
12. Bola pridaná ďalšia skrutka na obe príruby v dolnej časti zariadenia, kde je najväčšie zaťaţenia pre
zlepšenie tuhosti konštrukcie.
13. Bolo vyriešené utesnenie lisovacieho priestoru tak, aby nedochádzalo k opotrebovaniu hlavného rámu
(tela), ale len tesniaceho člena a vymeniteľného nástroja.
Súčasťou konštrukčných krokov boli aj virtuálne kinematické a pevnostné analýzy, porady z výrobcom pre
optimalizáciu vyrobiteľnosti systému. Ďalším vedľajším výsledkom našej práce sú aj moţné dôvody porúch a
nefunkčnosti predchádzajúcich verzií stroja:
1. Prídavné zaťaţenia a sklzy vyplývajúce z mechanizmu hookovho kĺbu => ustrihnutie hnacieho hriadeľa,
zlé strhávanie materiálu do lisovacieho priestoru (V1, V2, V3)
2. Nevhodná poloha násypného otvoru zapríčinená pravdepodobne zlou dedukciou, ţe gravitácia má
výraznejší vplyv pri strhávaní materiálu do lisovacieho priestoru (V1, V2).
3. Zjednodušený tvar gule (Obr. 3) uľahčujúci negatívne prúdenie materiálu do priestoru loţísk
zapríčiňujúce zvýšenie prevádzkových odporov a nadmerné opotrebenie zariadenia (V2).
4. Zariadenia konštrukčne neriešia kompenzáciu výrobných nepresností pri montáţi. (V1, V2)
5. Netesnosť priestorov a s tým súvisiace negatívne prúdenie materiálu a následne zníţená ţivotnosť a
zvýšené pracovné odporov. (V1, V2, V3)
6. Zlé alebo ešte nedoriešené mazanie (V1, V2)
7. Vysoké klzné odpory mechanizmu z dôvodu nesprávnej kombinácie materiálu uloţení a pouţitia klzných
loţísk (V1, V2)
8. Kĺzanie dvoch kalených (oceľových) plôch je nevhodné. (V1, V2)
9. Ţiadne alebo nedostatočné poistenie členov mechanizmu (V1, V2).
10. Prebytok krútiaceho momentu od pohonu zapríčiňuje moţné poškodenie súčiastok zariadenia (ţiadny
poistný člen) (V1,V2, V3)
Ďalšie výhody súčasnej konštrukcie
Koncepcia zabezpečuje moţnosť výmeny nástroja z hľadiska lisovaného materiálu a poţadovaných parametrov
výrobku. Zmena tvaru kanálu pravdepodobne uľahčí lisovanie rôznorodých materiálov.
Podávacie zariadenie dáva moţnosť riadeného plnenia alebo aţ preplňovania.
wsd
/ 106 /
Brno 2010
Finálne riešenie je modulárne a postavené na rovnakej platforme. Na základe správnej kombinácie modulov je
moţné zostaviť štyri základné kombinácie modulov:
- prechodný variant („kardánový lisovík“ v „bezkardanovej“ zostave),
- bez kardanu s ozubenými nástrojmi,
- bez kardanu s dráţkovaným nástrojom,
- s kardanom a dráţkovaným nástrojom.
Zariadenie je moţné pouţiť aj bez núteného plnenia.
ZÁVER
Optimalizácia nového princípu zhutňovacieho stroja je veľmi zdĺhavý a náročný proces, ktorého hybnou
silou sú aj predchádzajúce omyly alebo úspechy. Tak zloţitý proces, ako je zhutňovanie biomasy je v súčasnosti
veľmi náročné komplexne simulovať či uţ pomocou MKP alebo analyticky. V mnohých prípadoch sa odráţame
len od predchádzajúcich skúseností a konštruktérskej intuície alebo vyuţívame tak obľúbenú metódu pokusov
a omylov. Preto je dôleţitý kaţdý jeden krok, aj keď nie vţdy správnym smerom.
Zariadenie V4 bolo ocenené ako konštrukčný návrh roka (KRR 2010 – 6. ročník) firmou SCHIER TECHNIC. Je
dôleţité zdôrazniť, ţe ak by sa potvrdili spomínané predpoklady a stroj by prešiel prototypovými skúškami hlavne
v bezkardanovom prevedení, bol by to výrazný krok k sériovej výrobe malých a stredných peletovacích strojov
novej generácie vhodných pre menšie prevádzky a domácnosti, schopných zhutňovať široké spektrum biomasy
vrátane dreva. Zariadenie by bolo cenovo dostupné, s vysokou ţivotnosťou a prevádzkovým výkonom.
Aj keď naše pracovisko dosahuje v tejto oblasti veľmi dobré výsledky, proces realizácie myšlienok do reality je
pomalý a zdĺhavý. Ţiaľ dĺţka riešenia je nepriaznivo ovplyvňovaná aj nedostatkom finančných prostriedkov na
realizáciu týchto progresívnych myšlienok. To sa potom prejavuje na počte zamestnancov, ktorí tieto myšlienky
rozpracovávajú, ako aj na rýchlosti výroby jednotlivých prototypov. Škoda, ţe kompetentné inštitúcie nemajú
pochopenie pre riešenie týchto myšlienok a neuvoľnia na realizáciu projektov viac finančných prostriedkov.
Poďakovanie:
„Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a
výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov“ (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“
POUŢITÁ LITERATÚRA
1
2
3
4
5
wsd
Šooš, Ľ. - Grman, M.: Lis na pelety. - , 2006. - Číslo úţitkového vzoru: SK 4554. - Dátum nadobudnutia:
19.6. 2006.
Grman, M.: Diplomová práca 2002 - Progresívna konštrukcia zhutňovacieho stroja
Šooš, Ľ. - Grman, M.: Spôsob lisovania peliet zo sypkej organickej a/alebo anorganickej suroviny alebo
surovinovej zmesi a lis na pelety. - 2009. - Číslo patentu: SK 286877. - Dátum udelenia: 4. 5. 2009.
Šooš, Ľ.: Návrh, vývoj a výskum nových konštrukcií zhutňovacích strojov. Pro-Energy magazín č. 4. s. 56-60. ISSN 1802-4599.
ŠOOŠ, Ľ.: Projekt vedy a výskumu číslo 2003 SP 26 028 0C 04. KVT SjF STU, Bratislava 2003
/ 107 /
wsd
Brno 2010
/ 108 /
Brno 2010
SPALOVÁNÍ KONTAMINOVANÉ BIOMASY A LEGISLATIVA ČESKÉ REPUBLIKY
Jan Škvařil, Jiří Moskalík, Otakar Štelcl
Rešeršní článek pojednává o legislativě České republiky spojené s využitím kontaminované biomasy. Možnosti
jejího spalování jsou legislativou limitovány především z toho důvodu, že spalováním kontaminantů mohou
vznikat nebezpečné látky znečišťující životní prostředí.
Klíčová slova: kontaminovaná biomasa, legislativa, zákon o ochraně ovzduší, zákon o odpadech
ÚVOD
V souvislosti s globálně se zvyšující ţivotní úrovní obyvatel a následně rostoucí energetickou spotřebou, růstem
mnoţství produkovaných odpadů a snahou o nalezení konkurenceneschopného alternativního energetického
zdroje pro energetický mix České republiky, je vhodné zaměřit naši pozornost na obnovitelné zdroje energie
spolu s vyuţíváním odpadů.
V našem případě se jedná o biomasu, která primárně neslouţí k energetickému vyuţití. Tato biomasa mohla být
kvůli svému prvotnímu uţitku ošetřena jinými látkami pro zlepšení svých vlastností. Z pohledu jejího
sekundárního, tedy v tomto případě energetického vyuţití, se tedy jedná o odpadní biomasu, která byla určitým
způsobem kontaminována. V důsledku zmíněných vlastností kontaminované biomasy lze předpokládat, ţe její
energetické vyuţití bude jistým způsobem legislativně ošetřeno. Úkolem článku, je analyzovat legislativní
prostředí v této oblasti v ČR, s důrazem na definování omezujících faktorů, které můţou být překáţkou pro její
vyuţívání k energetickým účelům.
BIOMASA
Biomasa je ve smyslu Nařízení č. 146/2007 Sb. o emisních limitech a dalších podmínkách provozování
spalovacích stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší (dále jen NV č. 146/2007) definována jako produkt, který
je tvořen zcela nebo zčásti z rostlinného materiálu pocházejícího ze zemědělství nebo lesnictví a který lze pouţít
jako palivo za účelem získání jeho energetického obsahu, a dále uvedený odpad pouţitý jako palivo:
-
rostlinný odpad ze zemědělství nebo lesnictví,
rostlinný odpad z potravinářského průmyslu, pokud se znovu vyuţije vyrobené teplo,
rostlinný odpad z výroby čerstvé vlákniny a z výroby papíru z buničiny, pokud se spoluspaluje v místě
výroby a vzniklé teplo se vyuţije,
korkový odpad
dřevný odpad s výjimkou dřevného odpadu, který můţe obsahovat halogenované organické sloučeniny
nebo těţké kovy v důsledku ošetření látkami na ochranu dřeva nebo nátěrovými hmotami, zahrnující
především dřevné odpady tohoto typu pocházející z odpadů ze stavebnictví a z demolic. 1
Kontaminovaná biomasa
Termín kontaminovaná biomasa jako takový, v zákoně není přesně definován, ale můţeme jím chápat biomasu,
která byla nějakým způsobem znečištěna.
V obecném slova smyslu tedy označujeme kontaminovanou biomasou jednak část biomasy dle definice NV č.
146/2007, ale také biomasu, která jiţ nespadá do této kategorie, a která je dle Zákona č. 185/2001 Sb., o
odpadech a o změně některých dalších zákonů (dále jen zákon o odpadech) chápána jako odpad 2 .
Můţe se jednat například o odpadní biomasu z nábytkářského průmyslu a ze stavebnictví, pro kterou bývá
charakteristický obsah lepidel, nátěrů a mořidel, tedy látek, které byly pouţity pro zlepšení uţitných vlastností
materiálu (biomasy) pro její primární účel. Z prvkového hlediska v takto ošetřené biomase můţeme kromě
obvyklých sloţek najít: F, Cl, Ti, Si, Mn, Ca, Zn atd. 3 Dalším příkladem kontaminované biomasy můţe být
Ing. et Ing. Jan Škvařil, Fakulta strojního inţenýrství, VUT v Brně, Technická 2, 616 69 Brno, [email protected]
wsd
/ 109 /
Brno 2010
odpadní biomasa ze zemědělství a potravinářské výroby, pro kterou bývá charakteristický vysoký obsah
dusičnanů.
SPALOVÁNÍ KONTAMINOVANÉ BIOMASY
Jak vyplývá z definice biomasy a podle § 3 Zákona č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší a o změně některých
dalších zákonů (dále jen zákon o ochraně ovzduší) nelze kontaminovanou biomasu (kterou nezahrnuje definice
NV č. 146/2007) pouţít jako palivo, protoţe je chápána jako odpad podle zákona o odpadech 4 .
Výjimka pro spalovací zdroje pro lepené dřevo
Existuje zde však určitá výjimka dle § 4 NV č. 146/2007 1 .pro spalovací zdroje, které spalují dřevotřísku,
překliţku, dřevovláknitou desku nebo jiné lepené dřevo. Tento spalovaný materiál však nesmí obsahovat
halogenované organické sloučeniny nebo těţké kovy v důsledku ošetření látkami na ochranu dřeva nebo
povrchových úprav. Spalování materiálu můţe být uskutečňováno ve zvláště velkých stacionárních zdrojích
(jmenovitý tepelný příkon nad 50 MW), velkých stacionárních zdrojích (jmenovitý tepelný výkon 5 – 50 MW), a v
případě vzniku matriálu v místě jeho spalování a dodrţení dalších podmínek (automatické podávání paliva a
automatické řízení spalovacího procesu) je moţné matriál spalovat i ve středních stacionárních spalovacích
zdrojích (jmenovitý tepelný výkon 0,2 – 5 MW). Na tento střední spalovací zdroj se v takovém případě vztahují
podmínky provozu pro velký spalovací zdroj.
Provozovatelé zvláště velkých, velkých a středních stacionárních zdrojů mají následující povinnosti ( podrobněji
lze nalézt v § 11 zákona o ochraně ovzduší) 4 :
-
uvádět do provozu a provozovat stacionární zdroje v souladu s podmínkami ochrany ovzduší
dodrţovat emisní limity
vést provozní evidenci o stacionárních zdrojích
poskytovat příslušným orgánům ochrany ovzduší údaje potřebné zejména ke zjištění podílu zdroje na
znečišťování ovzduší
bezodkladně odstraňovat v provozu stacionárních zdrojů nebezpečné stavy ohroţující kvalitu ovzduší a
činit opatření k předcházení havárií
při váţném nebo bezprostředním ohroţení zdraví z důvodu nadměrné koncentrace znečišťujících látek
bezodkladně zastavit nebo omezit provoz stacionárního zdroje
zpřístupnit veřejnosti informaci o znečišťování ovzduší ze stacionárního zdroje
Provozovatelé zvláště velkých a velkých stacionárních zdrojů jsou dále povinni vypracovat ve lhůtě
stanovené příslušným orgánem ochrany ovzduší soubor technickoprovozních parametrů a
technickoorganizačních opatření k zajištění provozu stacionárních zdrojů, včetně opatření ke zmírňování
průběhu a odstraňování důsledků havarijních stavů v souladu s podmínkami ochrany ovzduší
Spalování kontaminované biomasy podle zákona o odpadech
Pokud je kontaminována biomasa chápána jako odpad dle Vyhlášky 381/2001 Sb. Katalog odpadů 5 , lze ji
spalovat i případně spoluspalovat s jinými palivy za určitých podmínek.
Spalování tohoto odpadu ve spalovně odpadů, která dosahuje vysokého stupně energetické účinnosti (zařazení
dle přílohy č. 12), se povaţuje za (dle přílohy č. 3 poloţka R1) využívání odpadů způsobem obdobným jako
paliva nebo jiným způsobem k výrobě energie. Spalovny odpadů, které vysoké účinnosti nedosahují, jsou
chápány jako zařízení pro odstraňování odpadu.
Podrobně jsou podmínky provozu spaloven pro spalování odpadu definovány v Nařízení č. 354/2002 Sb. 6 ,
kterým se stanoví emisní limity a další podmínky pro spalování odpadu. Spalovny odpadu se projektují, staví,
vybavují a provozují způsobem, který zaručuje, ţe:
/ 110 /
-
Brno 2010
se zajistí dostatečná doba setrvání spalovaného odpadu ve spalovacím prostoru k dokonalému vyhoření
a je dosaţeno takové úrovně vyhoření, ţe škvára a popel po spálení odpadu obsahuje méně neţ 3 %
celkového organického uhlíku nebo ztráta ţíháním je menší neţ 5 % hmotnosti suchého materiálu.
se na nejmenší moţnou míru potlačí obtěţování zápachem
plyn vznikající při procesu se za posledním přívodem spalovacího vzduchu řízeným způsobem ohřeje ve
všech místech profilu toku spalin, a to i za nejméně příznivých podmínek, na teplotu nejméně 850 st. C
po dobu nejméně 2 sekund
pokud se spaluje nebezpečný odpad s obsahem halogenovaných organických sloučenin (vyjádřených
jako chlor) vyšším neţ 1 %, odpadní plyn se ohřeje na teplotu nejméně 1100 st. C po dobu nejméně 2
sekund
kaţdá linka spalovny odpadu se vybaví alespoň jedním pomocným hořákem, který automaticky udrţuje
teplotu ve spalovací komoře za posledním přívodem spalovacího vzduchu na hodnotě 850 st. C nebo
1100 st. C podle spalovaného odpadu
během spouštění a zastavování provozu, nebo kdyţ teplota spalin klesne pod stanovenou nejniţší
teplotu, nesmějí se k pomocným hořákům přivádět paliva, která mohou způsobovat jiné nebo větší
emise znečišťujících látek, neţ jaké vznikají při spalování ZP
Spalovny odpadu a spoluspalovací zařízení se vybavují automatickým systémem, který zabraňuje
přívodu odpadu v určitých případech, kdy není dosaţeno nejniţší přípustné teploty
Spalovny odpadu a spoluspalovací zařízení se projektují, staví, vybavují a provozují tak, aby emisemi
významně neznečišťovaly přízemní vrstvy ovzduší. Odpadní plyny vznikající při procesu se do ovzduší
vypouští řízeným způsobem pomocí komínu.
Veškeré vyuţitelné teplo, které vzniká při spalování nebo spoluspalování odpadů, se podle moţností
dále vyuţívá
Ve spalovnách odpadu a spoluspalovacích zařízeních se provádějí měření provozních parametrů a měření
hmotnostních koncentrací znečišťujících látek vypouštěných do ovzduší několika způsoby:
-
-
kontinuální měření látek, a to oxidů dusíku (oxidu dusnatého a oxidu dusičitého) vyjádřených jako oxid
dusičitý (NOx), oxidu uhelnatého (CO), tuhých znečišťujících látek (TZL), celkového organického uhlíku
(TOC), anorganických sloučenin chloru v plynné fázi vyjádřených jako chlorovodík (HCl), anorganických
sloučenin fluoru v plynné fázi vyjádřených jako fluorovodík (HF) a oxidu siřičitého (SO2),
kontinuální měření provozních parametrů procesu, a to teploty spalin v blízkosti vnitřní stěny nebo v
jiném reprezentativním místě spalovací komory
jednorázové měření těţkých kovů obsaţených v tuhé, kapalné a plynné fázi včetně jejich sloučenin, pro
něţ jsou stanoveny emisní limity
Dále NV 354/2002 Sb. podrobněji definuje dosaţení emisních limitů.
EMISNÍ LIMITY
Podle § 11 zákona o ochraně ovzduší je emisemi chápáno vnášení jedné nebo více znečišťujících látek do
ţivotního prostředí. Emise znečišťujících látek ze zvláště velkých, velkých nebo středních stacionárních zdrojů
zjišťují provozovatelé především měřením, v některých případech výpočtem. Měření emisí se provádí v místě, za
kterým jiţ nedochází ke změnám sloţení vypouštěných odpadních plynů do vnějšího ovzduší. Kontinuálním
měřením emisí se rozumí měření hmotnostní koncentrace emisí znečišťujících látek vypouštěných ze
stacionárního zdroje v průběhu kalendářního roku.
Emisním limitem je potom chápáno nejvýše přípustné mnoţství znečišťující látky nebo stanovené skupiny
znečišťujících látek nebo pachových látek vypouštěné do ovzduší ze zdroje znečišťování ovzduší vyjádřené jako
hmotnostní koncentrace znečišťující látky v odpadních plynech nebo hmotnostní tok znečišťující látky za jednotku
času nebo hmotnost znečišťující látky vztaţená na jednotku produkce nebo lidské činnosti nebo jako počet
pachových jednotek na jednotku objemu nebo jako počet částic znečišťující látky na jednotku objemu X .
Emisním stropem potom chápeme nejvyšší přípustná úhrnná emise znečišťující látky nebo stanovené skupiny
znečišťujících látek vznikající v důsledku lidské činnosti vyjádřená v hmotnostních jednotkách za období 1 roku
/ 111 /
Brno 2010
ze všech zdrojů znečišťování ovzduší, z jejich vymezené skupiny nebo z jednotlivého zdroje znečišťování
ovzduší na vymezeném území.
Emisní limity pro zvláště velké, velké a střední stacionární zdroje
Emisní limity pro zvláště velké spalovací zdroje jsou stanovené v závislosti na jmenovitém tepelném výkonu pro
oxid siřičitý (SO2), oxidy dusíku (NOx) a tuhé znečišťující látky (TZL) a jsou pro biomasu uvedeny v Tab. 1 a pro
oxid uhelnatý v Tab. 2.
Tab. 1 Emisní limity pro zvláště velké spalovací zdroje podle jmenovitého tepelného příkonu vztaţené na
normální stavové podmínky a suchý plyn
Druh paliva a topeniště
Biomasa
Jmenovitý tepelný výkon spalovacího zdroje
50 – 100 MW
SO2
NOx
200
400
>100 – 300 MW
SO2
NOx
200
300
>300 – 500 MW
SO2
NOx
200
200
>500 MW
SO2
NOx
200
200
TZL
50
TZL
30
TZL
30
TZL
30
Tab. 2 Emisní limity pro oxid uhelnatý (CO) pro zvláště velké spalovací zdroje
Tuhé palivo obecně
Emisní limity podle jmenovitého
tepelného příkonu vztaţený na
normální stavové podmínky a
suchý plyn [mg·m-3]
Referenční
obsah kyslíku
[%]
>50 MW
250
6
U zvláště velkých spalovacích zdrojů, kde vzhledem k vlastnostem paliva není moţné splnit emisní limity pro oxid
siřičitý, musí spalovací zdroj plnit alespoň stupeň odsíření, který je uveden v Tab. 3.
Tab. 3 Stupně odsíření pro zvláště velké spalovací zdroje
Jmenovitý tepelný příkon [MW]
≤ 300
> 300
Stupeň odsíření [%]
92
95
Emisní limity pro velké a střední spalovací zdroje stanovené v závislosti na jmenovitém tepelném výkonu zdroje
pro oxid siřičitý, oxidy dusíku, tuhé znečišťující látky, případně organické látky (coţ není případ biomasy) a oxid
uhelnatý. Jsou uvedeny v Tab 4.
/ 112 /
Brno 2010
Tab. 4 Emisní limity pro velké a střední spalovací zdroje podle jmenovitého tepelného výkonu spalovacího zdroje
vztaţené na normální stavové podmínky a suchý plyn [mg·m-3]
Biomasa
Jmenovitý tepelný výkon spalovacího zdroje
0,2 – 1 MW
SO2
NOx
TZL
2500
650
250
>1 – 5 MW
SO2
NOx
TZL
2500
650
250
>5 – 50 MW
SO2
NOx
TZL
2500
650
250
CO
650
CO
650
CO
650
Emisní limity pro spalování kontaminované biomasy podle zákona o odpadech
Spalovny odpadu a zařízení pro spoluspalování odpadu se projektují, staví, vybavují a provozují tak, aby obsah
znečišťujících látek v odpadním plynu byl v souladu se specifickými emisními limity. V tomto článku jsou uvedeny
pouze specifické emisní limity pro samotné spalování odpadů (Tab. 5).
Tab. 5 Průměrné denní hodnoty specifických emisních limitů pro spalování odpadů
Tuhé znečišťující látky celkem (TZL)
Organické látky v plynné fázi vyjádřené celkovým obsahem organického uhlíku (TOC)
Plynné anorganické sloučeniny chloru vyjádřené jako HCl
Plynné anorganické sloučeniny fluoru vyjádřené jako HF
Oxid siřičitý (SO2)
Oxid dusnatý a dusičitý vyjádřené jako NO2 pro stávající spalovny o jmenovité kapacitě nad 6
t/h a nové spalovny
Oxid dusnatý a dusičitý vyjádřené jako NO2 pro stávající spalovny o jmenovité kapacitě do 6 t/h
10 mg/m3
10 mg/m3
10 mg/m3
1 mg/m3
50 mg/m3
200 mg/m3
400 mg/m3
Jsou také definovány průměrné půlhodinové hodnoty specifických emisních limitů pro stejné látky jako Tab. 5.
Dále jsou také stavoneny emisní limity těţkých kový (Tab.6)
Tab. 6 Těţké kovy - Průměrné hodnoty během období odběru vzorků nejméně 30 minut a nejvýše 8 hodin
Cd + Tl
Hg
Sb + As +Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V
0,05 mg/m3
0,05 mg/m3
0,5 mg/m3
Dále pak je zaveden emisní limit z průměrných hodnot součtového obsahu polychlorovaných dibenzodioxinů a
dibenzofuranů naměřených ve vzorku odebraném během období nejméně 6 hodin a nejvýše 8 hodin, v němţ
jsou jednotlivé sloţky přepočteny pomocí koeficientů ekvivalentu toxicity (Tab. 7.)
Tab. 7 Průměrné hodnoty během období odběru vzorků nejméně 30 minut a nejvýše 8 hodin
Dioxiny a furany
0,1 ng TE/m3
Emisní limity oxidu uhelnatého (CO) ve spalinách během provozu spalovny jsou uvedeny v následující Tab. 8.
/ 113 /
Brno 2010
Tab. 8 Emisní limity oxidu uhelnatého (CO) ve spalinách
50 mg/m3 při stanovení průměrné denní hodnoty
150 mg/m3 u minimálně 95 % všech stanovení průměrné desetiminutové
hodnoty nebo 100 mg/m3 u všech stanovení průměrné půlhodinové
střední hodnoty provedených během kaţdého období 24 hodin.
Pro technologie fluidního spalování je přípustná průměrná hodinová
hodnota nejvýše 100 mg/m3
ZÁVĚR
Oblast legislativy spjatá se spalováním kontaminované biomasy je poměrně komplikovaná. Celá problematika
spadá především pod zákon o ochraně ovzduší a také pod zákon o odpadech. Obecně platí, ţe spalování látek,
ve zdrojích znečišťování ovzduší, které nejsou palivy určenými výrobci jejich zařízení, je zakázáno. A také, ţe
jako palivo nelze obecně pouţít odpad podle zákona o odpadech.
Při splnění určitých podmínek, které limitují obsah škodlivých látek v palivu, lze kontaminovanou biomasu pouţít
jako palivo. Pokud kontaminovaná biomasa dané podmínky nesplňuje, můţe být na základě zákona o odpadech
vyuţita jako odpad způsobem obdobným jako paliva, nebo jiným způsobem k výrobě energie v zařízeních
s vysokou účinností. Pokud zařízení vysoké účinnosti nedosahuje, jedná se potom o odstraňování odpadu.
Kaţdá z jednotlivých moţností vyuţití kontaminované biomasy, které zde byly vyjmenovány, má svá specifika a
je nutné důsledně dodrţovat konkrétní podmínky provozu zařízení stanovené zákonem.
Vyuţívání kontaminované odpadní biomasy je tedy za určitých podmínek legislativou České republiky umoţněno.
S menšími restrikcemi lze spalovat kontaminovanou biomasu, která odpovídá definici biomasy dle § 2 NV č.
146/2007 a spadá pod výjimku dle § 4 NV č. 146/2007. S většími restrikcemi potom, kontaminovanou biomasu,
která je chápana jako odpad podle zákona o odpadech.
Hlavním benefitem vyuţívání kontaminované biomasy není pouze to, ţe se jedná o obnovitelný zdroj energie, ale
i moţnost jak se vypořádat se s určitým druhem odpadu.
1
2
3
4
5
6
Nařízení č. 146/2007 Sb. o emisních limitech a dalších podmínkách provozování spalovacích stacionárních
zdrojů znečišťování ovzduší
Zákon č. 185/2001 Sb., o odpadech a o změně některých dalších zákonů
Moskalík J., Baláš M., Lisý M., Škvařil J., Štelcl O.: Provozní zkoušky zplyňování kontaminované biomasy
(drť z nábytkářské dřevo-třísky)zpráva VUT-FSI-OEI č. 012/2010, Interní zpráva energetického ústavu. Brno
2010
Zákon č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů
Vyhláška 381/2001 Sb. kterou se stanoví Katalog odpadů, Seznam nebezpečných odpadů a seznamy
odpadů a států pro účely vývozu, dovozu a tranzitu odpadů a postup při udělování souhlasu k vývozu,
dovozu a tranzitu odpadů (Katalog odpadů)
Nařízení vlády č. 354/2002 Sb., kterým se stanoví emisní limity a další podmínky pro spalování odpadu
PODĚKOVÁNÍ
Tento příspěvek vznikl za podpory projektu specifického výzkumu „Termická likvidace kontaminované biomasy“
(FSI-J-10-40) Fakulty strojního inţenýrství VUT v Brně.
/ 114 /
Brno 2010
KRBOVÁ KAMNA
Otakar Štelcl, Jiří Moskalík, Jan Škvařil
Práce se věnuje konstrukci spalovací komory z hlediska použití a rozmístění jednotlivých komponent (klenba,
oplach skla, tryska terciárního vzduchu), vlivu těchto komponent na účinnost spalování a praktické zkoušce
zhotoveného prototypu krbových kamen.
Klíčová slova: účinnost, krbová kamna, terciární tryska
ÚVOD
Biomasa – neustále opakované heslo, které má v dnešní době zvyšujících se emisí oxidu uhličitého velký
význam. Tato energetická surovina je z ekologického hlediska velmi důleţitá, neboť jejím spalováním vzniká
pouze takové mnoţství CO2, které bylo spotřebováno k jejímu růstu. Mluvíme tedy o nulovém procesu z hlediska
bilance CO2.
Mezi jeden ze způsobů energetického vyuţití biomasy patří spalování dřeva v lokálních topeništích. Vyuţívání
krbových kamen a vloţek jako doplňkového zdroje vytápění je v dnešní době rychlého růstu cen energií velmi
prozíravou alternativou. V porovnání s jinými variantami vytápění patří krbová kamna mezi levnější zdroje
z hlediska pořizovacích i provozních nákladů. [1]
Spalování tuhé biomasy oproti spalování pevných fosilních paliv probíhá odlišně. Palivo pro krbová kamna- dřevo
popřípadě dřevní brikety má vysoký obsah prchavé hořlaviny (okolo 70-80%) oproti uhlí (okolo 20-45%). Dřevo
hoří dlouhým plamenem z čehoţ plyne odlišná konstrukce spalovací komory. Tuto skutečnost je nutno zohlednit
jiţ při návrhu spalovacího zařízení volbou dostatečně velkého dohořívacího prostoru, zajištění dostatečné teploty
v celé spalovací komoře a přivedením dostatečného mnoţství vzduchu ve více úrovních (primární, sekundární,
popřípadě terciární).
KONSTRUKCE A ÚČINNOST SPALOVACÍ KOMORY
Mezi nejsledovanější parametry krbových vloţek a kamen patří účinnost. Tato veličina je úzce spjata s geometrií
ohniště a s dokonalostí promíchání okysličovadla s hořlavinou. Efektivita záleţí na:
-teplotě a mnoţství spalin opouštějící kamna
-koncentraci CO
-součiniteli přebytku vzduchu
-teplotě spalování
-rychlosti proudění spalin kolem výhřevných ploch
-geometrii ohniště a spalinovodu
Účinnost se u krbových kamen určuje nepřímou metodou. Ze sta procent se odečítají jednotlivé ztráty:
-ztráta citelným teplem spalin
-ztráta chemickým nedopalem
-ztráta mechanickým nedopalem
Největší podíl na sníţení účinnosti má ztráta citelným teplem spalin. Přebytečné mnoţství nasávaného kyslíku
rozředí spaliny, sníţí teplotu plamene, která má majoritní vliv na hodnotu přestupu tepla radiací. Komínem unikne
velký objem spalin o vysoké teplotě Na tento fakt je třeba myslet při návrhu kamen. Ve spalovací komoře je třeba
zajistit co nejniţší koeficient přebytku vzduchu α, aby teplota plamene dosáhla co nejvyšších hodnot. Avšak na
druhou stranu s malým přebytkem vzduchu stoupá koncentrace oxidu uhelnatého CO. K vyřešení tohoto
problému lze vyuţít přivedení dalšího vzduchu pro hoření v oblasti těsně pod klenbou pro spalování hořlavých
plynů, které nestačí shořet pomocí primárního a sekundárního vzduchu. Vzhledem k poloze trysky terciárního
vzduchu je nutné, aby vzduch oblast pod klenbou neochlazoval. Přivedení předehřátého vzduchu tuto podmínku
Ing. Otakar Štelcl, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2, 612 00, e-mail: [email protected]
/ 115 /
Brno 2010
splňuje. V zadní části spalovací komory je umístěn kanál ve kterém se vzduch předehřívá a poté proudí do trysky
terciárního vzduchu, jak znázorňuje obrázek 1.
Obr.1 Schéma proudění vzduchu a spalin
Ztráta citelným teplem spalin je také zmenšena díky umístění klenby a dvou deflektorů které prodluţují trajektorii
spalin.
Dlouhý provoz bez přikládání
Vhodné umístění klenby a trysky terciárního předehřátého vzduchu by mělo mít příznivý vliv na udrţení
spalování a příznivé účinnosti při sníţeném výkonu, kdy je poţadavek dlouhé doby hoření. Po maximálním
naloţení ohniště palivem se dřevo nechá rozhořet a poté se uzavře přísun primárního vzduchu, přičemţ šoupátko
sekundárního vzduchu zůstane mírně pootevřené, aby nedošlo k přílišnému zakouření skla a aby se do prostoru
nasával vzduch pro primární hoření. Tryskou terciálního vzduchu se bude do prostoru pod klenbou nasávat
předehřátý vzduch, který spolu s vysokou koncentrací CO tvoří zápalnou směs. Při dodrţení podmínek pro
hoření tato směs vzplane. Část vzniklého tepla se odrazí od klenby zpět do paliva které bude pyrolyzovat a
doutnat a tvořit další podmínky pro hoření. [1]
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Měřící trať
Měřící úsek spalin se skládá z trubky kouřovodu, kde se nachází otvory pro nasunutí trubiček jednotlivých
odběrů. Tyto trubičky se pro utěsnění spalinovodu mohou navařit nebo pouze nasunout do přesných děr.
Nutností je pokud moţno co nejdokonalejší utěsnění odběrů, protoţe netěsností by si komín mohl přisávat
falešný vzduch a byly by ovlivňovány výsledky měření.
Z důvodu zkoušení kamen na provizorním pracovišti bylo zvoleno provedení děr odběrů pro analyzátor spalin a
teploměr do stejné horizontální pozice, aby nedošlo k ovlivňování výsledků nejdůleţitějších parametrů měření.
Tahoměr snímal podtlak v komíně těsně nad těmito odběry. Sonda teploměru a odběrová trubice analyzátoru se
vsunula zhruba do 1/3 průřezu komínu, tak aby bylo dosaţeno co nejpřesnějších výsledků. Spaliny nasávané
/ 116 /
Brno 2010
analyzátorem byly ochlazeny a zbaveny vlhkosti v kondenzační smyčce, jenţ se realizovala pomocí nádoby se
studenou vodou, do které se vloţily téměř dva metry hadičky spojující odběr ve spalinovodu s měřícím přístrojem.
Následné odloučení pevných části bylo provedeno speciálním prachovým filtrem. Čas zkoušení podle normy
ČSN EN 13229 trvá přesně jednu hodinu (i kdyţ dovoluje zkrácení doby na 45 minut).
Metoda stanovení účinnosti
Výpočty účinnosti provedeny dle [2]
Pro stanovení účinnosti byla zvolena nepřímá metoda. Maximální účinnost 100 % se zmenší o poměrné ztráty:
-mechanickým nedopalem
-chemickým nedopalem
-citelným teplem spalin
Ztráta mechanickým nedopalem se určuje z hořlaviny obsaţené v palivu. U spalovaného dřeva musí být znám
poměr popeloviny, poté se váţí veškeré palivo, které shoří ve spalovacím zařízení, a po dohoření se zváţí
hmotnost vzniklého popela. Ta se poté porovná s vypočtenou teoretickou hmotností popela a vypočítá se
výsledná ztráta mechanickým nedopalem. Úlet popílku se zpravidla zanedbává.
Ztráta chemickým nedopalem se určuje ze sloţení spalin, lépe řečeno z koncentrace oxidu uhelnatého CO, ve
spalinách. Mnoţství spalin, které opustí spalovací zařízení se určí pomocí naměřené koncentrace CO 2
(popřípadě O2) a porovnáním s poměrnou hodnotou daného prvku v atmosférickém vzduchu. Vypočtené
mnoţství se potom vynásobí poměrem CO a vznikne objem CO, jenţ má v sobě skrytou určitou energii, která se
rovná dané ztrátě.
Ztráta citelným teplem spalin se vypočítá z objemu spalin vynásobeného entalpií, která je závislá na sloţení a
teplotě spalin.
Pro naměření koncentrací, teplot, hmotností a podtlaku byly pouţity následující přístroje:
-analyzátor spalin
-teploměr (termočlánek)
-tahoměr
-přesná váha
Měření
Nastavení krbové vloţky mělo následující parametry:
Tab. 1 Nastavení a vstupní parametry krbových kamen
primární vzduch
sekundární vzduch
terciální vzduch
počáteční teplota spalin
tah komína
předpokládaná výhřevnost paliva
hmotnost paliva
počet kusů paliva (polen)
druh paliva
doba sušení paliva
doba zkoušky
interval měření online
/ 117 /
1/8
½
1
131°C
7Pa
16MJ/kg
2,9kg
5 kusů
tvrdé dřevo
2 roky
60 minut
10s
Brno 2010
18
1,4
16
1,2
14
1
10
0,8
8
0,6
CO(%)
CO2(%), O2(%)
12
6
0,4
4
0,2
2
0
0
0
5
10
15
20
25
30
CO2
35
O2
40
45
50
55
60
čas (minuty)
CO
Obr. 2 Průběh koncentrací CO, CO2, O2
Po předchozích zkušenostech s dobou zahoření, bylo rozhodnuto otevřít zhruba do 1/8 klapku přívodního
primárního vzduchu pod rošt. Toto nastavení se výrazně projevilo na zkrácení doby vzplanutí. Prvotní zahoření
nastalo zhruba uţ po třech minutách (viz obr. 2). Aţ na malé odchylky lze říct ţe všechny křivky týkajících se
průběhu koncentrací a teplot byly v průběhu celého měření nejplošší.
300
1,4
1,2
250
1
0,8
150
0,6
100
0,4
50
0,2
0
0
1
6
11
16
21
26
31
teplota
Obr. 3 Průběh koncentrace CO a teloty
/ 118 /
36
CO
41
46
51
56
61
čas (minuty)
CO(%)
teplota ( oC)
200
Brno 2010
Teplota dosáhla svého maxima těsně před půlkou zkoušky a poté pozvolně klesala aţ do konce. Její průměrná
hodnota sice nepatřila k nejmenším v průběhu měření, nicméně vzhledem k malému součiniteli přebytku vzduchu
α=2,44, nízké průměrné koncentraci O2=9,17 %, vysoké průměrné koncentraci CO2=8,02 % a tedy i
předpokládané vysoké teploty plamene v ohništi byla průměrná teplota spalin ta=207°C velice příznivá. Z tohoto
také vyplívá nejvyšší hodnota vypočtené průměrné účinnosti 79%.
8
1,4
7
1,2
1
5
0,8
4
CO(%)
přebytek vzduchu
6
0,6
3
0,4
2
0,2
1
0
0
1
6
11
16
21
26
31
36
přebytek vzduchu
41
46
CO
51
56
61
čas (minuty)
Obr. 4 Průběh koncentrace CO a přebytku vzduchu
Koncentrace CO byla relativně vysoká, nicméně po přepočtení na 13% O 2 ve spalinách se její hodnota razantně
sníţila a to díky malé koncentraci kyslíku ve spalinách. Bohuţel to však nestačilo na zařazení do první třídy
z hlediska emisí CO. Podle předpokladů by se tato hodnota měla sníţit zvýší-li se podtlak v komíně čili komínový
tah na předepsanou hodnotu 10Pa. V tomto případě by totiţ tryskou terciálního předehřátého vzduchu proudilo
do spalovací komory více vzduchu, čímţ by se nastavily vhodnější podmínky pro dohořívání hořlavých plynů.
Avšak účinnost by se neměla příliš změnit, neboť naředění spalin vzduchem by nastalo aţ těsně pod klenbou
ohniště, tedy teplota plamene v ţárovišti by neměla být změněna. Naopak by měla o něco povyrůst účinnost kvůli
spálení hořlavých plynů, které bez uţití vyšly komínem ven a tedy sníţení ztráty plynným nedopalem. Tyto
předpoklady byly v praxi ověřeny . [1]
Tab. 2 Naměřené a vypočtené hodnoty
průměrné hodnoty
26,6°C
207°C
9,17 %
8,02 %
0,33 %
2,44
7Pa
16,6 %
3,74 %
0,6 %
79 %
13,5 kW
10,8 kW
1
t-okolí
ta -teplota spalin
koncentrace O2 ve spalinách
koncentrace CO2 ve spalinách
koncentrace CO při 13 % O2 ve spalinách
součinitel přebytku vzduchu
tah komína na konci zkoušky
poměrná komínová ztráta
poměrná ztráta plynným nedopalem
poměrná ztráta mechanickým nedopalem
účinnost
příkon
výkon
třída účinnost
/ 119 /
Brno 2010
Obr. 5 Krbová kamna při provozu
ZÁVĚR
Vysoké účinnost bylo dosaţeno díky velké teplotě plamene, který byl nejméně ochlazován vstupujícím studeným
přebytečným vzduchem. Proto teplo předané radiací bylo největší. Sice se zmenšil poměr tepla předaného
konvekcí, jelikoţ se zmenšila rychlost spalin, avšak ve výpočtu radiace figurují teploty ve čtvrté mocnině, čili vliv
zvýšení teploty plamene má majoritní význam.
1
2
ŠTELCL,O.Návrh krbové vloţky. Brno:Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2010.
83s.
ČSN EN 13229, Vestavné spotřebiče k vytápění a krbové vloţky na pevná paliva, Český normalizační
institut
/ 120 /
Brno 2010
Pouţívání 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:
[1] 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
[2] 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
[3] Martínek, S. a Liška, P.: Vývoj spotřeby energie a perspektivy vyuţívání alternativních zdrojů.
Sborník příspěvků ze semináře „Energie z biomasy V“. VUT v Brně (2006). ISBN 80-214-3310-8
/ 121 /
Brno 2010
/ 122 /
Brno 2010
editoři:
Jan Škvařil
Martin Lisý
Publikace neprošla jazykovou úpravou.
ENERGIE Z BIOMASY XI
Sborník příspěvků ze semináře
Vydavatel:
Vysoké učení technické v Brně
Fakulta strojního inţenýrství
Tisk:
Tribun EU s.r.o., Gorkého 41, 602 00 BRNO
Vydání:
Rok vydání:
Náklad:
Počet stran:
první
2010
20
123
ISBN 978-80-214-4243-6
/ 123 /

pod tímto odkazem celý sborník - Energetický ústav

Transkript

Podobné dokumenty

iDB Journal 1/2015

Ceník ke stažení zde.

energie z biomasy xiii - Energetický ústav

(LCA) Method in Project and Environmental Education at VŠB

Drevný odpad... Čo s ním? - Energetické centrum Bratislava

Sestava 1 - XLI. Flebologické dny s mezinárodní účastí

Příloha v pdf.

zde