2015. Ústav energetiky, VŠCHT Praha 1

Ústav energetiky, VŠCHT Praha

10/15/2015

Vlastnosti tuhých paliv 7. Spalování tuhých biopaliv a výběr kotle Alternativní zdroje energie I.

• Fyzikální vlastnosti • • • •

Granulometrické složení (tvar a velikost částic) Mechanická pevnost (hustota, sypná hmotnost) Abrazivnost Náchylnost k oxidaci

• Chemické vlastnosti

Ivo Jiříček

• Elementární, technický a skupinový rozbor • Energetický obsah (spalné teplo a výhřevnost) • Chemické vlastnosti popela (deformační teploty, stopové prvky, vyluhovatelnost) Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Mechanická pevnost

Formy podle velikosti částic kusové (přířezy kulatiny, metrové dříví a polena, odpadní dřevo*)

Měrná hmotnost (částicová hustota)- hmotnost objemové jednotky homogenní látky za dané teploty ρ = dm/dV

drcené (dřevní štěpky, hobliny, piliny, výlisky, kůra) lisované (brikety a pelety, balíky slámy, lesknice a sloní trávy) ostatní (ovocné pecky a jádra, energetické zrno) *s výjimkou dřeva obsahující halogenované org. sloučeniny nebo těžké kovy z konzervačního ošetření dřeva nebo nátěrů Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Úprava paliva

[kg /m3]

Sypná hmotnost (bulk density) hmotnost nespojitě v prostoru rozložené látky volně nasypané do jednotkového objemu ρs = m/V [kg /m3] Sypná hmotnost pelet se stanoví volným nasypáním do nádob předepsaných rozměrů, po sklepání a stržení přebytku, gravimetricky zdroj:http://www1.vsb.cz/ke/vyuka/FRVS/CD_Biomasa_ nove/Pdf/VlastnostiBiomasy.pdf Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Suroviny pro pelety a brikety a výrobci ČR

Před zpracováním se upravuje : • velikost (granulometrie) - drcením, sekáním a tříděním • vlhkost - sušením na 15-20 % vlhkosti v palivu, speciálně se upravuje např. sláma Před využitím se upravuje: briketováním umožňuje využít větší frakce vzhledem k větším rozměrům finálního výrobku, ale struktura je relativně drolivá a nestabilní -ruční použití peletováním stabilní, tvrdá struktura, hladký vzhled -automatické nebo ruční použití Ústav energetiky, VŠCHT Praha


Dřevní pelety - surovinou je dřevní odpad z primárního zpracování dřeva tedy piliny, hobliny a odřezky z pil o vlhkosti M=50-60 % Nedřevní pelety - surovinou jsou granulované odpady vznikající při zpracování obilí, či přímo obilí a kukuřice z důvodu jejich nadbytku na trhu nebo napadení škůdci. Nedřevní pelety jsou specifický druh paliva, pro jehož spalování je zatím problém nalézt cenově dostupný kotel. Výrobci: dřevní pelety-Biomac, Iromez, Holztherm, Envitherm (většinou firmy) nedřevní pelety: Ekover, Vopol, Agrochem (často zemědělská družstva) Obecně platí, že světlejší barva v lomu značí vyšší výhřevnost než barva tmavší, indikující obsah kůry. Kotle nižších výkonů vyžadují vyšší kvalitu paliva a mají menší toleranci k odchylkám v jeho kvalitě. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

1


10/15/2015

Výroba pelet Zásobník surového paliva

Tuhá paliva z biomasy

Předsušený materiál

Peletizační jednotka Prosévání

Drtič a sušárna

Chladič

Granulační lis v peletizační jednotce

Zásobník pelet

řepková sláma

pšeničná sláma

lněná sláma

dřevo

Detail prstencové matrice granulačního lisu Nožem odsekané pelety se musí rychle zchladit pod 40 °C, aby došlo k zatuhnutí ligninu na povrchu

Pelety o teplotě až 110 °C

papírenský lignin


rašelina

dřevěné uhlí


Požadavky na kvalitu tuhých biopaliv -normativní hodnoty

Požadavky na kvalitu tuhých biopaliv -informativní hodnoty

zdroj ČSN EN 14961-1

Brikety: Původ: viz výše 1, 2, 3 nebo 4 ZNAČENÍ Průměr D (diameter) 40mm až >125 mm D40 až D125+, Délka L (length) v mm ≤50 mm až >400 mm L50 až L400+ Voda M (moisture) ≤10 % až ≤ 15 % M10 až M15 Popel A (ash) ≤ 0,5 % až >10 % A0.5 až A10+ 3 3 Hustota částic DE (particle density) >0.8 g/cm až 1,2 g/cm DE0,8 až DE1,2 Výhřevnost v původním stavu Q, (LHV) v MJ/kg nebo kWh/m3 Mechanická odolnost DU (mechanical durability) ≥95 % až <90 % DU95 až DU90 Chlor Cl ≤0,02 % až >0,1% Cl0,02 až Cl0,1+ Pelety: D, L, M, A, DE, Q, DU, N, S, Cl ale jiná čísla např. D0,6 až D25, L40 až L50+ navíc: Množství jemných částic F ≤1,0 % až >5,0 % (na sítech) F1,0 až F5,0+ Sypná hmotnost BD ≥550 kg/m3 až >700 kg/m3 BD550, BD700+

zdroj ČSN EN 14961-1

Normativní hodnoty se uvádějí vždy, informativní podle požadavku s ohledem na chemické ošetření* či přísady v biomase Brikety, pelety, dřevní štěpky, piliny, hobliny , kůra Dusík N ≤0,3 % až >3% při chem. ošetření normativní Síra S ≤0,02 % až >0,2% při chem. ošetření normativní tavitelnost popela DT (deformation temperature) Kulatiny, palivové dřevo: Hustota energie E [kW/m3 nebo kWh/kg] Povrch odřezku, podíl nařezaného paliva Plíseň a hniloba Balíky slámy, lesknice a sloní trávy: DT, metoda výroby, typ svázáni balíku Energetické traviny, pokrutiny, ovocná dužnina a semena: Cl, S, DT, BD, F * ošetření látkami jinými než vzduch, teplo nebo voda-lepidla, nátěry, povlaky



zdroj:CEN/TC 335 biomass standards

Mechanická odolnost pelet Parametr důležitý pro pelety dávkované automaticky (většinou šnekovým dopravníkem) do spalovacích zařízení Nedostatečná mechanická odolnost způsobuje: • uvolňování jemných částic • riziko prachové exploze • potíže s dopravou paliva Holmen pellet durability tester

Pelety s nedostatečnou odolností mají nižší účinnost spalování a zvyšují produkci popílku


ENplus A1

ENplus A2

EN B

Celé stromy bez kořenů

Mechanická odolnost pelet (pelet durability index PDI) je poměr hmotnosti pelet, které zůstanou na sítu po zkoušce k původní navážce (100 g).


Certifikace ENplus Typ dřeva Kmenové dříví Chemicky neošetřené zbytky z dřevozpracujícího průmyslu Kůra Lesní těžební zbytky Chemicky neošetřené použité dřevo Lesní, plantážové a další surové dřevo Dřevo z demolic budov nebo jiných staveb

Jeho použití je vyloučeno.

Např. pelety ENplus A1, doporučené pro domácí používání, mají tyto vlastnosti: výhřevnost > 16,5 MJ/kg, M< 10 %, A< 0,7 %, podíl jemných částic do 1 %


2


10/15/2015

Odpovědnost výrobce nebo dodavatele Nezáleží na tom, zda výrobce získá údaje o svém výrobku z analýzy či z literatury. Ovšem výrobce nebo dodavatel je odpovědný za to, že poskytuje správné a přesné informace.

Příčiny odchylek, následky manipulace odchylka vysoká hodnota

popel A

výhřevnost qp,net,ar nízká hodnota

Typické hodnoty povolených obsahů kovů:

výhřevnost qp,net,ar vysoká hodnota

Arzen Kadmium Měď Rtuť Olovo Zinek

As Cd Cu Hg Pb Zn

< 0.8 mg/kg < 0.5 mg/kg < 5 mg/kg < 0.05 mg/kg < 10 mg/kg < 100 mg/kg

Nadlimitní obsah některých ekotoxických kovů (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Nb, Pb, V, Zn) často zabrání využití jako tuhé palivo z biomasy (např. sběrný papír).

příčina znečištění půdou/pískem, vyšší než specifikovaný obsah kůry, anorganické přísady nebo chemické ošetření vysoký obsah popela obsah látek s nižším spalným teplem (lepidla) obsah látek s vyšším spalným teplem (pryskyřice, oleje, plasty)

znečištění při manipulaci a dopravě

následek znečištění půdou/pískem chlorem v důsledku solení silnic težkými kovy (Pb a Zn) z dopravy

mechanické

železem a chromem z pracovních nástrojů/strojů

prostředím

chlorem z mořských vodních tříští těžkými kovy (Cd, Pb) z umělých hnojiv (odpadních vod)



Fázové reakce při spalování

Účinnost spalování

1. Uvolnění plynného prchavého podílu z částic paliva při ohřevu 2. Reakce v plynné fázi 3. Reakce v pevné fázi Oxidace uvolněného plynu Oxidace odplyněných částic(koksu) Nemůže být větší než 100 %.

2H2(g)+O2(g) =2H2O(g)

2C(s)+2O2(g)=2CO2(g)

Co se skutečně děje na atomové úrovni? Reakce radikálů: H2=2H H+O2=OH+O H2+O =OH+H H2+OH =H2O+H

Reakce vazeb: C-C + 2xO-O= 4xCO

Výpočet účinnosti předpokládá kompletní spalování a zahrnuje tyto faktory: 1. chemické složení paliva 2. teplotu komínových spalin (komínová ztráta) 3. obsah O2 a CO2 ( v % obj.) po spalování

Úspora paliva (snížení emisí CO2) [%]

přebytek paliva přebytek vzduchu stechiometrický bod

η1 – účinnost kotle před modernizací η2 –účinnost po modernizaci

Účinnost kotle má přímý dopad do úspory paliva či snížení emisí CO2. Ústav energetiky, VŠCHT Praha


Kotle na dřevo a uhlí Ruční: Ruční • Odhořívací • Prohořívací • Zplyňovací Automatický (peletový)

Čím jednoduší kotel, tím sušší je nutné palivo (< 20 % Mar). Nepřetěžovat kotel velkými dodávkami paliva.

Kvalita paliv pro malé kotle Prováděcí vyhláška č. 415/2012 Sb.

Požadavky na kvalitu uhlí a výlisků z biomasy pro stac. zdroje s tep. příkonem <0,3 MW.

Vlhkost

Nové požadavky (ČSN EN 303-5): Od 1.1.2014 je povoleno prodávat pouze kotle 3. a vyšší třídy, od roku 2018 pouze 4. a vyšší třídy. První revize je povinná do 31. 12. 2016, pak každé dva roky.



Wr

[%]

Uhlí od 1. 1. 2014

Výlisky z biomasy od 1. 1. 2014

< 33

< 15

Výhřevnost Qi d [MJ/kg]

> 15

> 15

Výhřevnost Qi r [MJ/kg]

-

-

Popel Ad [%]

< 13

< 10

Měrná sirnatost [g/MJ]

< 0,65, převaha sulfidů

<0,3 %, převaha síranů

Je zakázáno spalovat ve zdrojích s příkonem <300 kW energetické HÚ, lignit, uhelné kaly a proplástky. U výlisků z biomasy jsou specifikovány ještě limity stran obsahu Cl, As, Cd, Hg, Pb a jejich sloučenin.

Emise SO2 jsou u biomasy až o dva řády nižší než u uhlí. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

3


10/15/2015

Právní předpisy provozu malých kotlů <0,3 MW zákon o ochraně ovzduší 86/2002 Sb., zákon č.201, 2012

S platností od 1. 1. 2014 (další zpřísnění od 1. 1. 2018) jsou stanoveny minimální emisní požadavky na zdroj pro spalování pevných paliv. Zavádí se povinnost provádět jednou za dva kalendářní roky kontrolu technického stavu a provozu tohoto zdroje odborně způsobilou osobou (neplatí pro zdroje v RD, bytě, v rekr.ob).

Min. emisní požadavky na stac. zdroje spalující tuhá paliva <0,3 MW, platné od 1.1.2018

Specifika spalování biomasy • vysoký podíl prchavé hořlaviny (až 85 hm.%), proto převažující část spalovacího vzduchu musí být přivedena nad vrstvu paliva • dlouhá doba prohořívání spalitelných plynu (až 0,5 s), kdy plamen nesmí být ochlazován (potřeba šamotové vyzdívky), obtížné míšení s kyslíkem, obtížné dokonalé spálení, proto vysoký přebytek spalovacího vzduchu (1.5<λ<2.0)

Dodávka paliva Palivo

Jmenovitý CO tepelný příkon *[mg.m−3N, [kW] 10% O2ref]

TOC *[mg.m−3N, 10% O2ref]

TZL *[mg.m−3N, 10% O2ref]

• nízký podíl popelovin (max. 6 hm. %), popel se může spékat kvůli nízkým teplotám měknutí, tečení a tavení popela (700 – 1200°C)

Ruční

Biologické/Fosilní

≤ 300

1200

50

75

Samočinná

Biologické/Fosilní

≤ 300

1000

30

60

• kotle vyšších výkonů je nutno odprašovat kvůli obsahu popílku s obsahem těžkých kovů

*suché spaliny, teplota 0 °C a tlak 101,325 kPa a referenční obsah kyslíku 10 %. Ústav energetiky, VŠCHT Praha


shazovací systém:

Automatické peletové kotle

nejlépe zabezpečen proti zpětnému hoření

2°

Výstup tepla do vzduchu nebo do otopné soustavy

1° hořáková pánev s horním podavačem

1° sekundární vzduch

2°

hořák se spodním podavačem

1°

primární vzduch Provádí samozátop, ale vyšší cena kotle a paliva. Pelety jsou dobrou alternativou pro vytápění RD s možností předzásobení tam, kde není přístup k plynu a je požadován vysoký komfort vytápění.

Zplyňovací kotle Na zplyňovacím roštu dochází k tvorbě žhavého dřevěného uhlí, ze kterého ze uvolňují hořlavé plyny. Plyny jsou odváděny do spodního spalovacího prostoru, kde vyhoří s dolů směrovaným plamenem s vyšší účinností (nižším λ). Nad žhavou vrstvou dřevěného uhlí dochází navíc k předsoušení přiváděného paliva, čímž se zvyšuje účinnost spalování na 81 – 89 %.

2°

spalinový ventilátor

• nízká energetická hustota paliv.

2°

1° rošt se horizontálním podavačem


Zapojení kotle do otopné soustavy Potřeba natápěcí smyčky: Smyčka umožňuje kotli pracovat na vyšší teplotě (>65 °C) než topný okruh a nedochází tak ke kondenzaci, dehtování a rychlé korozi kotle, zejména při zatápění.

Umožňuje přesnou regulaci výkonu 30 – 100 % s možností řízení prostorovým termostatem, ale vyšší cena kotle a nutnost použití suchého paliva. 1 – plnící dvířka; 2 – plnící komora; 3 – vysokoteplotní litinový rošt; 4 – popelník; 5 – servopohon přívodu vzduchu; 6 – přívod primárního vzduchu; 7 – přívod sekundárního vzduchu; 8 – vysokoteplotní hořáková komora (tryska); 9 – čistící víko; 10 – trubkový výměník; 11 – komora zachycující prach a popel; 12 – čistící kanál; 13 – odtahový ventilátor; 14 –λ sonda; 15 – dotykový displej; 16 – páka čištění výměníku Ústav energetiky, VŠCHT Praha

Jaký teplovodní kotel na pevná paliva? • výkonově nepředimenzovaný (odpovídající tepelné ztrátě vytápěného objektu)- vyšší účinnost, snížení rizika dehtování a nízkoteplotní koroze. • s natápěcí smyčkou - zvýšení životnosti a snížení rizika nízkoteplotní koroze. •s velkou násypkou a silnějšími a odolnějšími materiály kotlového tělesa • s akumulační nádrží - vyšší účinnost

Kotel s natápěcí smyčkou řízenou trojcestným ventilem

Podpora akumulační nádrží – výhoda, protože kotel pracuje na plný výkon a přebytečné teplo nabíjí akumulační nádrž. Po nabití nádrže je možné kotel odstavit a v závislosti na objemu nádrže a tepelných ztrátách objektu topit cca 1 den teplem pouze z nádrže.



Kotel s trojcestným ventilem a akumulační nádrží

Parametry pro kotle 4. emisní třídy splní již dnes: • automatické (peletové) kotle • většina zplyňujících kotlů na dřevo. Ústav energetiky, VŠCHT Praha

4


10/15/2015

Regulace kotle a přebytek vzduchu λ U kotlů do 100 kW se měří %O2 ve spalinách a teplota spalin. Přebytek vzduchu se zajišťuje ventilátorovým regulátorem tahu. Regulační systém se snaží přiblížit těmto hodnotám ve spalinách: • kapalná a plynná paliva 3 % O2 • pevná paliva 6 % O2 • biomasa 11 % O2

Ve skutečnosti je %O2 ve spalinách vyšší zvláště při zatápění. Problémy mohou dále nastat při změně paliva.

Potenciál cíleně pěstovaných ostatních rostlin ČR pro výrobu tepla Jednoleté rostliny

Výnosy suché hmoty (t/ha)

Spalné teplo (GJ/ha)

Konopí seté

12,05

217,62

Čirok hyso

19,33

341,31

14,77

259,77

palivo

ohniště

λ

odpady

roštová

2.0

Čirok cukrový

biomasa

roštová

1.8

Vytrvalé plodiny

uhlí

roštová

1.5

Křídlatka

37,50

729,15

uhlí

prášková

1.2

Šťovík krmný

43,00

763,29

zemní plyn

plynová

1.1

Bělotrn

16,50

323,65

Komonice

20,10

399,82

bioplyn

plynová

1.1

Velké kotle regulují λ na základě měření %CO ve spalinách.

Pokud uvažujeme průměrnou energetickou spotřebu tepelně izolovaného rodinného domu 75 GJ, mohla by být jeho roční spotřeba tepla pokryta např. spálením suché hmoty křídlatky z plochy cca 1210 m2, což odpovídá cca 4,5 tunám suché hmoty. Vzniká však potřeba dostatečně velkého a suchého zásobníku.



Rozdělení průmyslových spalovacích systémů Ohniště Roštová Fluidní Fluidní s nehybnou vrstvou kypné cirkulující Palivo sítování drcení (štěpkování) a doplnění pískem

Prášková

Spoluspalování biomasy s fosilními palivy

jemné mletí

log ∆p log α

přímé spalování

Rychlost plynu ≈ 0,3 Střední velikost 50 částice

≈1 2

<≈8 0.25

Rychlost plynu, [m/s] >≈8 [m/s] 0.1 [mm]

nepřímé spalování

Do 20% obsahu biomasy. Vhodné pro rekonstrukce, stejné hořáky a systémy pro podávání paliva, nejnižší investiční náklady. Popel je směsný.

Po roce 2020 bude podporováno pouze spalování čisté biomasy v kogeneračním režimu.



Stechiometrické spalování paliv Výpočet spalování biomasy ze sumárního vzorce:

Spalování paliv -výpočty Chemické vyjádření pro vzduch (21 % obj. O2 a 79 % obj. N2): O2 + 3.76N2 Příklady stechiometrického spalování: spalování uhlíku (koksu) vzduchem:

C(s) + (O2+ 3.76N2)(g) Reálné složení spalin: kompletní spalování neexistuje!!!

paralelní spalování

Nejnižší ekologické dopady, Lze dosáhnout vysokého podílu biomasy v palivu, rozšířené v protože plyn se před papírenském průmyslu a v spalováním čistí , ale nejnákladnější díky instalaci celulózkách zplyňovací jednotky Popely z biomasy a fosilního paliva jsou oddělené

→

CO2 + 3.76N2

12 kg + 22.4 m3 + 84.22 m3 1 kg + 1.8 m3 + 7.02 m3

→ →

22.4 m3 + 84.22 m3 1.8 m3 + 7.02 m3

1 kmol + 1 kmol

→

1 kmol

+ 3,76 kmol

+ 3,76 kmol

spalování metanu vzduchem: + αCO + βH2 + γNOx + trochu O2 a PAU (z rovnovážné disociace) (tvorba NOX) (nedopal) (dehet) Ústav energetiky, VŠCHT Praha


CH4 + 2(O2 + 3.76N2) → CO2 + 2H2O + 7.52N2 22.4 m3 +

44.8 m3 + 168.45 m3

→ 22.4 m3 + 44.8 m3 +

168,45 m3


5


10/15/2015

Spalování paliv-výpočty Rovnice ideálního plynu p∙V = n∙R∙T molární objem (0 °C, 101,32 kPa) = 22,4 m3∙kmol-1 Minimální množství vzduchu Vvz min potřebného pro kompletní spálení paliva je teoretický či stechiometrický vzduch Minimální objem spalin Vsp min- množství spalin, které vznikne dokonalým spálením jednotky paliva stechiometrickým vzduchem Součinitel přebytku vzduchu λ: poměr vzduchu skutečného k teoretickému λ = Vvz skut /Vvz min = přebytek vzduchu v % /100

Přepočet spalin z průměrného sumárního vzorce Sumární vzorec: CxHyOz VCO2 = x∙22.4∙md/Mpaliva

(dm3)

VH2O = (y/2)∙22.4∙md/Mpaliva

(dm3)

mCO2 = x∙Mc∙md/Mpaliva = x∙44∙md/Mpaliva

(g)

mH2O = (y/2)∙Mc∙md/Mpaliva = x∙18∙md/Mpaliva (g) kde: Mc molekulová hmotnost složky (g/mol) Mpaliva prům. molekulová hmotnost paliva (g/mol) md hmotnost paliva v suchém stavu (g)



Spalná teplota Tepelná rovnováha spalovací reakce: Qch+Qp+Qvz = Qsp+Qned+Qdis+Qz

[kJ]

Qch chemické teplo, které určuje výhřevnost paliva Qi Qp , Qvz , Qsp fyzické teplo předehřátého paliva, předehřátého vzduchu a spalin Qned chemický a mechanický nedopal Qdis disociační teplo (disociace zejména CO2 a H2O při T>1500 °C odebírá spalinám teplo) Qz teplo odvedené do okolí (přes izolovanou stěnu ohniště)

Adiabatická spalná teplota (teplota nechlazeného plamene): Qp=0, Qvz=0, Qned=0, Qdis=0, λ=1 (stechiometrické spalování) Tad = Qi/(Vsp,min∙cp) [K]

Iterační řešení, protože cp [kJ∙m-3K-1] je funkcí T

Výběr kotle Příklad: Místo dosluhujícího kotle o výkonu 25 kW s účinností 60 % v RD zvažuje investor koupit nový: kotel 3. emisní třídy kotel 4. emisní třídy

za cenu 70 000 za cenu 90 000

Původní roční cena paliva je 30 tis. Kč. Náklady na údržbu jsou 1 % z roční úspory.

Určete: Jaká je roční úspora paliva? Které řešení má kratší návratnost?

Odhad Tad = Qi/(Vsp,min∙1,7) [K] Reálná spalná teplota bude vždy nižší než Tad. Ústav energetiky, VŠCHT Praha


Výpočet spalování Příklad: 1kg suchého papíru, chemicky jako celulóza -(C6H10O5)n-, bylo spalováno vzduchem.

Určete: 1. Teoretické množství vzduchu VZmin 2. Výhřevnost qnet,d, když spalné teplo qgr,d= 18 MJ∙kg-1 3. Odhad adiabatické spalné teploty.



6

2015. Ústav energetiky, VŠCHT Praha 1

Recommend Documents